基于MEMS技術的硅微神經(jīng)電極陣列的設計與制造.pdf

1、隨著神經(jīng)生理學和微機電系統(tǒng)技術（micro electronic mechanical system， MEMS）的發(fā)展，生物醫(yī)學用檢測儀器的微型化使其研究的范圍已達到了細胞和分子水平。細胞攜帶并表達了生物醫(yī)學研究領域所感興趣的信息。細胞受到刺激后的反應表現(xiàn)為：動作電位的產(chǎn)生。通過在所關注的生物組織植入微電極就可以獲取細胞通過電化學產(chǎn)生的生物電位。 基于MEMS技術的硅微神經(jīng)電極陣列（microelectrode array，M

2、EA）可用于細胞外電位記錄。作為一種體外檢測的新型工具，其實質(zhì)是使細胞通過一層薄的電解液與微電極陣列上的測點相耦合，通過細胞－電極接口，可將提取到的神經(jīng)信號傳遞給前置放大器單元。該微電極陣列體積小，易加工，具有良好的物理和電學重復特性，可以廣泛應用于神經(jīng)生理學研究，包括：藥物篩選、細胞生理分析、毒素檢測、周圍神經(jīng)再生和環(huán)境監(jiān)測，從而給神經(jīng)修復、以及人工假體等研究領域帶來了希望。 論文提出了一種基于MEMS技術的三維微電極陣列的設

3、計及制造方法。該微電極陣列可用于動作電位的細胞外檢測。本論文的主要內(nèi)容和貢獻在于： 1.建立細胞－電極電學耦合模型。通過研究神經(jīng)細胞膜上離子通道的通透性和導電性，離子電流的特點及動作電勢的形成，提出了電活性細胞－電極的電學耦合模型；從而為本文的設計提供了理論基礎。也為實驗結果的分析了重要依據(jù)。 2.微電極陣列的結構設計。通過對幾何尺寸（探針臂橫截面形狀、長度和寬度，探針臂上測點的尺寸和位置）的優(yōu)化設計，確保探針能在刺穿生

4、物組織過程中不斷裂、不過度彎曲，同時還能提取到高質(zhì)量的神經(jīng)信號。最小幾何尺寸、承受力的能力以及互連線間的串擾是設計中主要考慮的問題。 3.三維微電極陣列的微加工。該電極陣列由一個微加工的硅基板、兩片二維平面探針和一個隔板構成。探針通過插入基板上的槽通過隔板與基本保持正交。所有器件都是在同一塊硅晶圓上采用MEMS加工工藝制作出來的，光刻技術和薄膜技術使微電極具有更加優(yōu)越的物理和電學特性。 4.三維微電極陣列的微組裝。三維探