本發明涉及一種生物醫學工程技術領域的微電極，具體地，涉及一種LED光刺激和電記錄集成的柔性神經電極器件及其制備方法。

背景技術：

在過去的幾十年里，電刺激為研究大腦功能帶來了巨大幫助。為了研究在復雜神經網絡中有多少神經元之前相互作用，推進神經科學的進一步發展，選擇性地激活或抑制某種特定類型的神經元成為必需，而電刺激無法有效實現這一功能。近年來，光遺傳學(Optogenetics)為神經回路分析帶來了革命性變化，通過將光敏蛋白(視蛋白)引入特定類型的細胞，使得這些細胞可以對光刺激作出響應，出現明確的動作電位模式。

利用一定波長的光照射特定視蛋白，可精準控制特定細胞在空間和時間上的活動。例如，視紫紅質通道蛋白2(ChR2)和嗜鹽菌紫質(NpHR)可以同時表達在同一細胞中，分別利用藍光(473nm)和黃光(590nm)來實現目標神經元細胞的去極化和超極化。這種組合的特定靶細胞可以精確操控神經元活動。可以選擇性地處理單個神經元，同時測量特定神經計算期間的放電時間和行為，其時間精度可達到幾毫秒。為了最大程度發揮這些視蛋白的優勢，用于同步光傳遞和電生理記錄的工程工具急需開發。

近年來，先進的微加工技術用來制造小型化的光學神經植入器件，以實現多點、局部、高空間分辨率的三維大腦光刺激。這些器件基于不同光源分為兩類，一類是激光，另一類是發光二極管LED，相比于目前使用較多的激光光源，LED光源有著獨特的優勢，包括功耗低，照明穩定，開關迅速，結構緊湊，力學柔性，空間分辨率高，且適合無線集成，為完全植入自由活動動物體的系統研發提供了可能性。其中，表面貼附式微型LED陣列在小鼠、大鼠、獼猴等動物的大腦皮層上的應用剛剛開始得到關注，同步ECoG腦電信號采集作為反饋，可用來表征光刺激對大腦神經元環路的影響。

經對現有技術的檢索和對比，Kwon K Y,Sirowatka B,Weber A等人在Biomedical Circuits and Systems,IEEE Transactions on,2013,7(5):593-600撰文“Opto-μECoG Array:A Hybrid Neural Interface with TransparentμECoG Electrode Array and Integrated LEDs for Optogenetics”，文中獨立制備了用于神經電信號記錄的透明ITO微電極陣列和用于神經元光刺激的LED陣列，每個子陣列包含16個通道并被封裝成2.5×2.5mm²的尺寸以適應大鼠視覺皮層的雙側半球區域，每個透明記錄電極點的正上方裝配一個微型LED芯片，芯片尺寸220×270×50μm²，峰值波長460nm。制備LED陣列主要方法是：在柔性Parylene C襯底上沉積并濕法刻蝕銅作為LED導線層，光刻膠作為掩膜，露出需要和LED焊盤接觸的金屬，涂覆低熔點焊錫，再將嵌入在PDMS模具上的微型LED芯片焊盤和焊錫點對齊實現貼合。兩個電極陣列的結合主要依靠在透明記錄電極背面旋涂一層50μm厚的SU-8作為膠黏劑，再將裝配好的LED陣列對準鍵合到記錄電極陣列上，形成總厚度75μm的LED光刺激和電記錄集成的柔性神經電極。這種電極的優點是LED發光從透明電極點正上方穿過，下方記錄點記錄得到的信號是LED最大光刺激位置。但由于SU-8膠黏劑的引入，增加了電極整體厚度，影響了電極柔性和貼附在大腦皮層時的保形性，另外，透明金屬氧化物ITO易脆，長期使用會發生破裂脫落，影響記錄電極性能，因此不適用于長期植入使用。

Kassiri H,Salam M T,Der Chen F等人在Biomedical Circuits and Systems Conference(BioCAS),2015IEEE,2015:1-4撰文“Inductively powered arbitrary-waveform adaptive-supply electro-optical neurostimulator”，文中提及制備光電一體電極陣列的過程：在厚度為100μm的聚酰亞胺(PI)薄膜上濺射沉積800nm厚金，金屬圖形化形成LED金屬導線，將LED焊在金接觸點上，并用環氧樹脂膠粘在兩層PI制備的ECoG記錄電極之間。電極上一共集成了8個LED和4×4個金記錄點，LED發光透過記錄電極上直徑300μm的孔射出，電極總厚度達到1.5mm。這種電極的缺點是厚度大，柔性差，無法保證電極點和組織之間形成良好接觸，影響記錄效果。

Richner T J,Thongpang S,Brodnick S K等人在Journal of neural engineering,2014,11(1):016010撰寫“Optogenetic micro-electrocorticography for modulating and localizing cerebral cortex activity”，文中在15μm厚Parylene C基底上圖形化了直徑150μm，間距500μm的4×4個鉻/金/鉑(10/200/20nm)金屬電極點，上面再沉積一層10μm厚Parylene C，完成ECoG記錄電極制備，文中沒有制備LED陣列，而是先用1個峰值波長465nm的LED作為光源照射整個記錄電極區域，再用4個LED輪流照射記錄電極不同區域。這種方式的缺點是LED光源和記錄電極分離，光源或電極的晃動將無法保證LED光源和記錄電極的相對位置，若光源接觸到金屬電極點，由于光電效應會在記錄的電壓信號中引入偽跡。

綜上所述，目前報道的以上幾種將LED光源和ECoG記錄電極結合的方法都存在有一定問題，而文獻中未見報道金絲球焊法制備LED光刺激電極和ECoG記錄電極結合這種光電一體電極器件。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明提供一種LED光刺激和電記錄集成的柔性神經電極器件及其制備方法，光刺激電極利用金絲球焊法將微型LED裸芯片連接到柔性基底金屬焊盤上，再透過光刺激電極上的開孔涂膠，實現和記錄電極的粘合，達到光刺激和電記錄一體化的目的。

根據本發明的一方面，提供一種LED光刺激和電記錄集成的柔性神經電極器件，所述的電極器件包括光刺激電極和記錄電極，其中：

所述光刺激電極包含光刺激電極底層聚合物絕緣層、光刺激電極頂層聚合物絕緣層和光刺激電極中間金電路層，在光刺激電極底層聚合物絕緣層、光刺激電極頂層聚合物絕緣層上設有多個孔，這些孔分別用于微型LED裸芯片透光、穿過鋼針、涂膠以固定光刺激電極和記錄電極相對位置；微型LED裸芯片利用金絲球焊法連接到光刺激電極中間金電路層上；

所述記錄電極包含記錄電極底層聚合物絕緣層、記錄電極頂層聚合物絕緣層和記錄電極中間金電路層，在記錄電極底層聚合物絕緣層、記錄電極頂層聚合物絕緣層上也設有多個孔，這些孔位置與所述光刺激電極底層聚合物絕緣層、光刺激電極頂層聚合物絕緣層上的孔位置對應，分別用于微型LED裸芯片透光、穿過鋼針定位光刺激電極和記錄電極；記錄電極露出記錄電極點的一面朝下并貼附彈性聚合物薄塊；

鋼針依次穿過光刺激電極頂層聚合物絕緣層、光刺激電極底層聚合物絕緣層、記錄電極頂層聚合物絕緣層、記錄電極底層聚合物絕緣層上設置的孔，并扎入到聚合物薄塊中，從而保證涂膠連接光刺激電極、記錄電極時，光刺激電極、記錄電極不會發生位移。

優選地，所述光刺激電極中：在光刺激電極底層聚合物絕緣層和頂層聚合物絕緣層上開有位置重疊的長方形孔、圓孔和方形孔，分別用來保證微型LED裸芯片透光、穿過鋼針和涂膠固定光刺激電極和記錄電極相對位置。

更優選地，在光刺激電極頂層聚合物絕緣層上的長方形孔上方設有凹槽，在該凹槽涂抹膠從而使微型LED裸芯片固定在光刺激電極上。

更優選地，在光刺激電極頂層聚合物絕緣層上還開有圓形孔，圓形孔下方露出中間金電路層作為金電路層焊盤，微型LED裸芯片的陰、陽極焊盤和金電路層焊盤通過金絲球焊連接，在金電路層焊盤上涂抹導電漿料確保導通；微型LED裸芯片、金絲和金電路層焊盤通過膠封裝。

優選地，所述記錄電極中：在記錄電極底層聚合物絕緣層和頂層聚合物絕緣層上開有位置重疊的長方形孔和圓孔，長方形孔用于微型LED裸芯片透光；圓孔用于穿過鋼針定位光刺激電極和記錄電極。

更優選地，在記錄電極頂層聚合物絕緣層上還開有圓形孔，圓形孔露出中間金電路層作為記錄電極點；

記錄電極露出記錄電極點的一面朝下并貼附聚合物薄塊，光刺激電極露出金電路層焊盤的一面朝上，鋼針穿過光刺激電極和記錄電極上相同位置的對稱圓孔并扎入聚合物薄塊，在光刺激電極上的方形孔涂膠實現光刺激電極和記錄電極的連接固定。

優選地，所述的光刺激電極底層聚合物絕緣層和光刺激電極頂層聚合物絕緣層、所述的記錄電極底層聚合物絕緣層和記錄電極頂層聚合物絕緣層的材料均選用非光敏型或光敏型聚酰亞胺，或無色透明的聚對二甲苯。

優選地，所述的光刺激電極底層聚合物絕緣層和光刺激電極頂層聚合物絕緣層、記錄電極底層聚合物絕緣層和記錄電極頂層聚合物絕緣層的厚度范圍為2～25微米。

優選地，所述的光刺激電極頂層聚合物絕緣層、光刺激電極底層聚合物絕緣層、記錄電極頂層聚合物絕緣層、記錄電極底層聚合物絕緣層形狀輪廓相同，并且光刺激電極、記錄電極上分別開有的用于穿過鋼針的孔的大小相同。

根據本發明的另一方面，提供一種LED光刺激和電記錄集成的柔性神經電極器件的制備方法，所述方法獨立制備光刺激電極和記錄電極，然后將光刺激電極與記錄電極粘合。

優選地，所述制備光刺激電極，包括如下步驟：

S1.1：制作光刺激電極底層聚合物絕緣層

在沉積金屬犧牲層的硅片上，旋涂或沉積一層聚合物薄膜，經圖形化得到光刺激電極底層聚合物絕緣層，在光刺激電極底層聚合物絕緣層的上面開有多個等間距長方形孔、多個對稱圓孔和多個方形孔，其中：多個等間距長方形孔保證微型LED裸芯片發光透過，多個對稱圓孔用于穿過鋼針，多個方形孔用于涂膠固定光刺激電極和記錄電極相對位置；

S1.2：制作光刺激電極中間金電路層

濺射一層金屬粘附層和一層金，旋涂正性光刻膠作為掩膜，經過前烘、曝光、顯影和后烘，采用離子束刻蝕或濕法刻蝕，得到圖形化的光刺激電極中間金電路層；

S1.3：制作光刺激電極頂層聚合物絕緣層

在S1.2的光刺激電極中間金電路層上，采用與S1.1相同的操作，制作得到圖形化的光刺激電極頂層聚合物絕緣層，在與S1.1的光刺激電極底層聚合物絕緣層的相同位置處開有相同形狀的多個等間距長方形孔、對稱圓孔和方形孔，并且開有多組圓形孔，圓形孔下方露出光刺激電極中間金電路層作為金電路層焊盤；

S1.4：制作凹槽

旋涂聚合物膠并圖形化，在S1.3的光刺激電極頂層聚合物絕緣層上面的長方形孔周圍形成凹槽；

S1.5：涂膠固定微型LED裸芯片

用細針頭沾無色透明膠涂抹在凹槽內，將單個微型LED裸芯片夾起，微型LED裸芯片的陰、陽極金焊盤朝上放置在凹槽內，輕輕按壓微型LED裸芯片頂部，以確保微型LED裸芯片位置水平，無色透明膠完全與微型LED裸芯片四周接觸且不溢出覆蓋微型LED裸芯片頂部，待無色透明膠固化完成單個微型LED裸芯片固定，其余微型LED裸芯片同理操作；

S1.6：金絲球焊法連接微型LED裸芯片與金電路層焊盤

在金絲球焊機上根據微型LED裸芯片陰、陽極金焊盤的大小，選擇合適直徑的金絲，連接微型LED裸芯片的陰、陽極焊盤和對應的光刺激電極頂層聚合物絕緣層圓形孔下方露出的金電路層焊盤，底層聚合物絕緣層為柔性襯底，金絲無法和金電路層焊盤牢靠連接，僅將金絲的第二鍵合點輕輕壓在金電路層焊盤上；

S1.7：涂抹導電漿料保證導通

在金電路層焊盤上用毛細玻璃管涂抹少量導電漿料，確保金絲和金電路層焊盤牢靠連接；

S1.8：涂膠封裝

在微型LED裸芯片、金電路層焊盤和金絲上方用細針頭涂膠實現封裝，保證光刺激電極釋放后，微型LED裸芯片不會掉落，金線牢固可靠，同時導電漿料不發生反應；

S1.9：釋放光刺激電極

通過電化學腐蝕或者稀酸腐蝕金屬犧牲層，完成光刺激電極的釋放。

優選地，所述制備記錄電極，包括如下步驟：

所述制備記錄電極，包括如下步驟：

S2.1：制作記錄電極底層聚合物絕緣層

在沉積金屬犧牲層的硅片上，旋涂或沉積一層聚合物薄膜，經圖形化得到記錄電極底層聚合物絕緣層，記錄電極底層聚合物絕緣層上面開有多個等間距長方形孔、多個對稱圓孔，其中：多個等間距長方形孔保證微型LED裸芯片發光透過，多個對稱圓孔用于穿過鋼針；

S2.2：制作記錄電極中間金電路層

濺射一層金屬粘附層和一層金，旋涂正性光刻膠作為掩膜，經過前烘、曝光、顯影和后烘，采用離子束刻蝕或濕法刻蝕，得到圖形化的記錄電極中間金電路層；

S2.3：制作記錄電極頂層聚合物絕緣層

在S2.2的記錄電極中間金電路層上，采用與S2.1相同的操作，制作得到圖形化的記錄電極頂層聚合物絕緣層，在和S2.1的記錄電極底層聚合物絕緣層相同位置處開有相同形狀的等間距長方形孔、對稱圓孔，并且開有多個圓形孔，圓形孔露出記錄電極中間金電路層作為記錄電極點；

S2.4：釋放記錄電極

通過電化學腐蝕或者稀酸腐蝕金屬犧牲層，完成記錄電極的釋放。

優選地，所述將光刺激電極和記錄電極粘合，包括如下步驟：

S3.1：制備表面平整、有彈性的聚合物薄塊，將記錄電極露出記錄電極點的一面朝下，平整地貼附在聚合物薄塊上；

S3.2：將光刺激電極露出金電路層焊盤的一面朝上，用鋼針穿過光刺激電極和記錄電極上相同位置處的對稱圓孔，并扎入聚合物薄塊中，輕輕按壓光刺激電極和記錄電極保證接觸平整；

S3.3：在光刺激電極的方形孔位置處，涂膠固定光刺激電極和記錄電極相對位置，待膠固化后即得到所述的LED光刺激和電記錄集成的柔性神經電極器件。

優選地，S1.1、S1.3和S2.1、S2.3中：

所述的光刺激電極底層聚合物絕緣層和光刺激電極頂層聚合物絕緣層、所述的記錄電極底層聚合物絕緣層和記錄電極頂層聚合物絕緣層的材料均選用非光敏型或光敏型聚酰亞胺(Polyimide)，或無色透明的聚對二甲苯(Parylene C)，厚度范圍為2～25微米；如Durimide7500系列光敏型聚酰亞胺分三種型號：Durimide7505、Durimide 7510和Durimide 7520，固化后單層薄膜厚度分別為2～5微米，4～15微米和11～25微米及以上，根據需要選用不同型號和厚度。

優選地，S1.1、S1.3和S2.1、S2.3中；

所述的光刺激電極頂層聚合物絕緣層、光刺激電極底層聚合物絕緣層、記錄電極頂層聚合物絕緣層、記錄電極底層聚合物絕緣層形狀輪廓相同，并且光刺激電極、記錄電極上分別開有的用于穿過鋼針的2個對稱圓孔的大小相同。

優選地，S1.1、S1.3和S2.1、S2.3中：

所述的3個等間距長方形孔的長度和寬度尺寸根據微型LED裸芯片的尺寸確定，且其尺寸比微型LED裸芯片的底部發光面尺寸大，從而使微型LED裸芯片安放在長方形孔孔位上時，微型LED裸芯片的底部發光面和沉積金屬犧牲層的硅片接觸，同時保證微型LED裸芯片的四周與長方形孔孔壁有間隙。

優選地，S1.2和S2.2中：

所述的金屬粘附層的材料選用鈦、鉻、鈦鎢合金，其厚度為10～100納米；金屬粘附層用于分別提高金和光刺激電極底層聚合物絕緣層、記錄電極底層聚合物絕緣層之間的結合力；

所述的金的厚度為200～500納米。

優選地，S1.4中：

所述的凹槽的材料選用SU-8光刻膠或聚酰亞胺膠，需要和頂層聚合物絕緣層有較好的結合力；

所述的凹槽的壁厚為5～50微米，凹槽的內孔大小根據微型LED裸芯片陰、陽極金焊盤所在平面的尺寸大小確定，厚度根據微型LED裸芯片的高度與光刺激電極頂層聚合物絕緣層和光刺激電極底層聚合物絕緣層之和的差值確定；

所述的凹槽用于安放微型LED裸芯片和涂膠，以保證微型LED裸芯片位置的一致性。

優選地，S1.5中：

所述的無色透明膠涂抹在凹槽時需控制膠量，保證用鑷子轉移放置微型LED裸芯片并輕輕按壓后，部分膠被擠壓到微型LED裸芯片和光刺激電極頂層聚合物絕緣層的長方形孔壁之間、微型LED裸芯片和凹槽之間、微型LED裸芯片和凹槽上表面間的縫隙處，從而提高粘接強度，避免后續金絲球焊時金絲將微型LED裸芯片帶起來；無色透明膠涂勿粘到微型LED裸芯片的陰、陽極焊盤上，避免影響金線球焊質量；

所述的無色透明膠選用耐高溫瞬干膠，或耐高溫紫外光固化膠(UV膠)，如有條件可使用點膠機，保證點膠量和點膠位置的均勻性。

更優選地，所述的微型LED裸芯片選用Cree公司的TR2227或TR2432系列，或根據實際需要選用其他公司或型號的LED產品；

所述的無色透明膠選用瞬干膠LOCTITE498或紫外光固化膠(UV膠)TOKOTITE-G15型號或其他合適類型，用于承受金絲球焊時較高的熱臺溫度。

優選地，S1.6和S1.7中：

所述的金電路層焊盤尺寸大于100微米，以便于金絲球焊放置第二鍵合點和涂抹導電漿料；金絲球焊機劈刀將金絲壓在金電路層焊盤上，金電路層焊盤下方的光刺激電極底層聚合物絕緣層會吸收超聲能量，金絲在第二鍵合點尾端壓痕處截斷；如果第二鍵合點的金絲翹起，利用劈刀輕輕按壓金絲末端使金絲變形貼近金電路層焊盤，再涂抹導電漿料，保證金絲和金電路層焊盤的連接；

所述的導電漿料選用導電銀漿、鋁漿、銅漿、鎳漿。

優選地，S1.8中，所述的封裝選用環氧樹脂膠，或有機硅膠，或聚氨酯膠；其中：環氧樹脂固化后硬度高；有機硅膠和聚氨酯膠固化后有彈性，對電極柔性影響更小。

優選地，S3.1中，所述的聚合物薄塊選用聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚烯烴彈性體(POE)，乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)，三元乙丙橡膠(EPDM)，聚合物薄塊尺寸大于所述電極器件尺寸，并表面保證平整潔凈。

優選地，S3.3中，所述的固定光刺激電極和記錄電極相對位置選用環氧樹脂膠，或有機硅膠，或聚氨酯膠。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

本發明制備的光刺激電極和記錄電極工藝通用，可根據小鼠或大鼠不同皮層區域的神經元分布制備不同樣式器件；通過在絕緣層上開孔，LED發光直接照射腦組織，保證透光性，同時有效避免光與金屬記錄電極之間由于光電效應對記錄結果造成影響；將微加工得到的柔性電極和商用微型LED裸芯片通過成熟可靠的金絲球焊法連接，降低了光電一體電極整體厚度，提高了電極在大腦皮層表面貼附時的保形性。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1是本發明一實施例的整體結構爆炸圖；

圖2-是本發明一實施例的光刺激電極工藝流程圖；

圖3是本發明一實施例的記錄電極工藝流程圖；

圖4是本發明一實施例的粘合工藝流程圖，分別采用三維圖進行展示；

圖5中a、b分別是本發明一實施例的粘合后光刺激電極一側向上和記錄電極一側向上的三維示意圖和局部放大圖；

圖6中a、b分別是本發明一實施例的粘合后光刺激電極上微型LED裸芯片發光示意圖和主波長470nm的微型LED裸芯片和ChR2光敏蛋白敏感光波段的相對強度曲線圖；

圖7是本發明一實施例的電極器件工作原理圖；

圖1中：鋼針1，環氧樹脂膠2，環氧樹脂膠3，導電銀漿4，金絲5，耐高溫瞬干膠6，凹槽7，微型LED裸芯片8，光刺激電極頂層聚酰亞胺絕緣層9，光刺激電極中間金屬層10，光刺激電極底層聚酰亞胺絕緣層11，記錄電極底層聚酰亞胺絕緣層12，記錄電極中間金屬層13，記錄電極頂層聚酰亞胺絕緣層14，彈性聚合物薄塊15。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。

如圖1所示，一種LED光刺激和電記錄集成的柔性神經電極器件，包括光刺激電極和記錄電極，其中：

所述光刺激電極包含光刺激電極底層聚合物絕緣層、光刺激電極頂層聚合物絕緣層和光刺激電極中間金電路層，在光刺激電極底層聚合物絕緣層、光刺激電極頂層聚合物絕緣層上設有多個孔，這些孔分別用于微型LED裸芯片透光、穿過鋼針、涂膠以固定光刺激電極和記錄電極相對位置；微型LED裸芯片利用金絲球焊法連接到光刺激電極中間金電路層上；

所述記錄電極包含記錄電極底層聚合物絕緣層、記錄電極頂層聚合物絕緣層和記錄電極中間金電路層，在記錄電極底層聚合物絕緣層、記錄電極頂層聚合物絕緣層上也設有多個孔，這些孔位置與所述光刺激電極底層聚合物絕緣層、光刺激電極頂層聚合物絕緣層上的孔位置對應，分別用于微型LED裸芯片透光、穿過鋼針定位光刺激電極和記錄電極；記錄電極露出記錄電極點的一面朝下并貼附彈性聚合物薄塊；

鋼針依次穿過光刺激電極頂層聚合物絕緣層、光刺激電極底層聚合物絕緣層、記錄電極頂層聚合物絕緣層、記錄電極底層聚合物絕緣層上設置的孔，并扎入到聚合物薄塊中，從而保證涂膠連接光刺激電極、記錄電極時，光刺激電極、記錄電極不會發生位移。

在本發明部分實施例中，所述的光刺激電極底層聚合物絕緣層和光刺激電極頂層聚合物絕緣層、所述的記錄電極底層聚合物絕緣層和記錄電極頂層聚合物絕緣層的材料均選用非光敏型或光敏型聚酰亞胺(Polyimide)，或無色透明的聚對二甲苯(Parylene C)，厚度范圍為2～25微米；如Durimide7500系列光敏型聚酰亞胺分三種型號：Durimide7505、Durimide 7510和Durimide 7520，固化后單層薄膜厚度分別為2～5微米，4～15微米和11～25微米及以上，根據需要選用不同型號和厚度。

所述孔的數目和形狀可以根據實際需要進行設定，以實現其功能為目的，在部分實施例中：

在光刺激電極底層聚合物絕緣層的上面開有3個等間距長方形孔、2個對稱圓孔和4個方形孔，其中：3個等間距長方形孔保證微型LED裸芯片發光透過，2個對稱圓孔用于穿過鋼針，4個方形孔用于涂膠固定光刺激電極和記錄電極相對位置。對應的，記錄電極底層聚合物絕緣層上面開有3個等間距長方形孔、2個對稱圓孔，其中：3個等間距長方形孔保證微型LED裸芯片發光透過，2個對稱圓孔用于穿過鋼針。

所述的光刺激電極頂層聚合物絕緣層、光刺激電極底層聚合物絕緣層、記錄電極頂層聚合物絕緣層、記錄電極底層聚合物絕緣層形狀輪廓相同，并且光刺激電極、記錄電極上分別開有的用于穿過鋼針的2個對稱圓孔的大小相同；

所述的3個等間距長方形孔的長度和寬度尺寸根據微型LED裸芯片的尺寸確定，且其尺寸比微型LED裸芯片的底部發光面尺寸大，從而使微型LED裸芯片安放在長方形孔孔位上時，微型LED裸芯片的底部發光面和沉積金屬犧牲層的硅片接觸，同時保證微型LED裸芯片的四周與長方形孔孔壁有間隙。

在本發明部分實施例中，所述的金屬粘附層的材料選用鈦、鉻、鈦鎢合金，其厚度為10～100納米；金屬粘附層用于分別提高金和光刺激電極底層聚合物絕緣層、記錄電極底層聚合物絕緣層之間的結合力；

所述的金的厚度為200～500納米。

在本發明部分實施例中，所述的凹槽的材料選用SU-8光刻膠或聚酰亞胺膠，需要和頂層聚合物絕緣層有較好的結合力；

所述的凹槽的壁厚為5～50微米，凹槽的內孔大小根據微型LED裸芯片陰、陽極金焊盤所在平面的尺寸大小確定，厚度根據微型LED裸芯片的高度與光刺激電極頂層聚合物絕緣層和光刺激電極底層聚合物絕緣層之和的差值確定；

所述的凹槽用于安放微型LED裸芯片和涂膠，以保證微型LED裸芯片位置的一致性。

基于本發明上述說明，以下給出具體的實施例的詳細說明。

實施例1

如圖1所示，本實施例提供一種LED光刺激和電記錄集成的柔性神經電極器件，由光刺激電極和記錄電極組成；

所述光刺激電極，包含：光刺激電極頂層聚酰亞胺絕緣層9、光刺激電極中間金屬層10、光刺激電極底層聚酰亞胺絕緣層11，其中：在光刺激電極頂層聚酰亞胺絕緣層9、光刺激電極底層聚酰亞胺絕緣層11上面開有位置重疊的長方形孔、圓形孔和方形孔，分別用來保證微型LED裸芯片8透光、穿過鋼針1和涂環氧樹脂膠2固定光刺激電極和記錄電極相對位置；在光刺激電極頂層聚酰亞胺絕緣層9上的長方形孔上方設有長方形凹槽7，微型LED裸芯片8的陰、陽極金焊盤朝上放置在凹槽7里，并在凹槽7里涂抹耐高溫瞬干膠6以保證微型LED裸芯片8牢靠固定在光刺激電極上；光刺激電極中間金屬層10的一端設有圓形焊盤、另一端設有四路長方形焊盤，其中一路作為公共電路與所有微型LED裸芯片8的陰極金焊盤連接；通過金絲5球焊連接微型LED裸芯片8的陰、陽極焊盤和和對應的光刺激電極中間金屬層一端的圓形焊盤，并在圓形焊盤上涂抹導電銀漿4使金絲5和圓形焊盤牢靠連接并確保導通；最后用環氧樹脂膠3封裝微型LED裸芯片8、金絲5和圓形焊盤；

所述記錄電極，包含：記錄電極底層聚酰亞胺絕緣層12、記錄電極中間金屬層13、記錄電極頂層聚酰亞胺絕緣層14，其中：記錄電極底層聚酰亞胺絕緣層12、記錄電極頂層聚酰亞胺絕緣層14上面開有位置重疊的長方形孔和圓形孔，并與光刺激電極的光刺激電極頂層聚酰亞胺絕緣層9、光刺激電極底層聚酰亞胺絕緣層11上的長方形孔和圓形孔位置重疊，用來分別保證微型LED裸芯片8透光和穿過鋼針1定位光刺激電極和記錄電極；最終在光刺激電極頂層聚酰亞胺絕緣層9、光刺激電極底層聚酰亞胺絕緣層11上的方形孔涂環氧樹脂膠2，實現光刺激電極與記錄電極的連接固定。

本實施例中，所述光刺激電極中間金屬層10用于給微型LED裸芯片8供電，其正向電壓為2.7～3.4V。

本實施例中，所述微型LED裸芯片8發出主波長為470納米藍光，亮度隨正向電流增加而增大，具體亮度可根據大腦皮層神經元信號發放需要的光強和腦組織可承受的溫升來確定。

本實施例中，所述鋼針1依次穿過光刺激電極頂層聚酰亞胺絕緣層9、光刺激電極底層聚酰亞胺絕緣層11、記錄電極底層聚酰亞胺絕緣層12、記錄電極頂層聚酰亞胺絕緣層14上設置的位置重疊的圓形孔，并扎入到彈性聚合物薄塊15中，從而保證涂環氧樹脂膠2連接光刺激電極、記錄電極的過程中，光刺激電極、記錄電極不會發生位移。

實施例2

如圖2-圖4所示，本實施例提供一種LED光刺激和電記錄集成的柔性神經電極器件的制備方法，包括：

一、光刺激電極的制備按以下步驟進行：

1)如圖2中a所示，在500微米厚硅片上濺射或熱蒸發沉積一層500微米厚的鋁作為犧牲層；

2)如圖2中b所示，旋涂一層光敏型聚酰亞胺Durimide 7510，經過前烘、曝光、顯影和固化，制作得到圖形化的光刺激電極底層聚酰亞胺絕緣層，其厚度為10微米；在光刺激電極底層聚酰亞胺絕緣層上面開有三個長方形孔，三個長方形孔的尺寸均為210微米×260微米、中心距為500微米；在光刺激電極底層聚酰亞胺絕緣層上面開有兩個圓形孔，兩個圓形孔的直徑均為300微米、中心距為1.5毫米；在光刺激電極底層聚酰亞胺絕緣層上面開有四個方形孔，四個方形孔的尺寸為300微米×300微米、中心距為1.5毫米；

3)如圖2中c所示，濺射一層鈦和一層金，厚度分別為30納米和300納米，旋涂5微米厚正性光刻膠AZ4620，經過前烘、光刻、顯影和后烘，采用濕法刻蝕得到圖形化的光刺激電極中間金屬層；光刺激電極中間金屬層的一端有三組圓形焊盤，每組包括兩個圓，兩個圓的直徑均為200微米；光刺激電極中間金屬層的另一端有四路長方形焊盤，其中一路作為公共電路用于連接所有微型LED裸芯片的陰極金焊盤；

4)如圖2中d所示，制作得到圖形化的光刺激電極頂層聚酰亞胺絕緣層，厚度為10微米，在與光刺激電極底層聚酰亞胺絕緣層相同位置處開有一樣大小的長方形孔、圓形孔和方孔，同時在光刺激電極中間金屬層的圓形焊盤正上方開有三組圓形孔，每組包括兩個圓，兩個圓的直徑均為160微米、間距為730微米；

5)如圖2中e所示，旋涂30微米厚的SU-8膠，經過前烘、曝光、顯影和后烘，在光刺激電極頂層聚酰亞胺絕緣層上需要放置微型LED裸芯片的長方形孔的正上方形成三個寬度均為30微米的長方形凹槽，長方形凹槽內部尺寸均為240微米×290微米、中心距為500微米；

6)如圖2中f所示，用細針頭沾無色透明的耐高溫瞬干膠涂抹在長方形凹槽內，如有條件可使用點膠機代替；

7)如圖2中g所示，用鑷子將單個微型LED裸芯片夾起，其陰、陽極金焊盤朝上放置在長方形凹槽內，輕輕按壓微型LED裸芯片頂部以確保微型LED裸芯片位置水平，耐高溫瞬干膠完全與微型LED裸芯片四周接觸且不溢出覆蓋頂部，等耐高溫瞬干膠固化完成固定；其中：微型LED裸芯片的型號為Cree公司的TR2227、尺寸為220×270×50微米；微型LED裸芯片的陰、陽極金焊盤直徑為80微米、間距為135微米；

8)如圖2中h所示，在金絲球焊機上使用直徑25微米的金絲連接微型LED裸芯片的陰、陽極金焊盤和對應的光刺激電極中間金屬層一端的圓形焊盤，由于底層聚合物絕緣層為柔性襯底，金絲無法和圓形焊盤牢靠連接，這里僅將金絲的第二鍵合點輕輕壓在圓形焊盤上；

9)如圖2中i所示，在圓形焊盤上用毛細玻璃管涂抹少量導電銀漿，確保金絲和圓形焊盤牢靠連接，盡量保證導電銀漿在直徑160微米的圓形焊盤范圍內；

10)如圖2中j所示，在微型LED裸芯片、圓形焊盤和金絲上方用細針頭涂抹透明環氧樹脂膠以實現封裝，保證光刺激電極釋放后微型LED裸芯片不會脫落、金線牢固可靠，同時導電銀漿不會發生反應；

11)如圖2中k所示，通過電化學腐蝕或者稀鹽酸腐蝕鋁犧牲層，完成光刺激電極釋放，其中：

使用電化學腐蝕法，可以在高濃度NaCl溶液中將光刺激電極放到電解池陽極，電壓0.7～1.0V，腐蝕鋁犧牲層到光刺激電極自動脫落；

使用稀鹽酸腐蝕法，可以按照濃鹽酸：去離子水＝1：4腐蝕鋁犧牲層到光刺激電極自動脫落。

二、記錄電極的制備按以下步驟進行：

1)如圖3中a所示，在500微米厚硅片上濺射或熱蒸發沉積一層500微米厚的鋁作為犧牲層；

2)如圖3中b所示，旋涂一層光敏型聚酰亞胺Durimide 7510，經過前烘、曝光、顯影和固化，制作得到圖形化的記錄電極底層聚酰亞胺絕緣層，其厚度為15微米；在記錄電極底層聚酰亞胺絕緣層上面開有三個長方形孔，三個長方形孔的尺寸均為190微米×240微米、中心距為500微米；在記錄電極底層聚酰亞胺絕緣層上面開有兩個圓形孔，兩個圓形孔的直徑均為300微米、間距為1.5毫米，記錄電極底層聚酰亞胺絕緣層上長方形孔和圓形孔的位置與光刺激電極頂層聚酰亞胺絕緣層、光刺激電極底層聚酰亞胺絕緣層上的長方形孔和圓孔相同；

3)如圖3中c所示，濺射一層鈦和一層金，厚度分別為30納米和300納米，旋涂5微米厚正性光刻膠AZ4620，經過前烘、光刻、顯影和后烘，采用濕法刻蝕得到圖形化的記錄電極中間金屬層，記錄電極中間金屬層的一端有四個圓形金記錄點，四個圓形金記錄點的直徑均為150微米、中心距為500微米；

4)如圖3中d所示，制作得到圖形化的記錄電極頂層聚酰亞胺絕緣層，其厚度為5微米，在與記錄電極底層聚酰亞胺絕緣層相同位置處開有一樣大小的長方形孔和圓形孔，同時在記錄電極中間金屬層的圓形金記錄點的正上方開有直徑為100微米的同心圓；

5)如圖3中e所示，通過電化學腐蝕或者稀鹽酸腐蝕鋁犧牲層，完成記錄電極釋放，釋放方法同步驟一中的(11)。

三、光刺激電極和記錄電極的粘合按以下步驟：

1)如圖4中a所示，制備表面平整的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄塊，其尺寸為2厘米×4厘米、厚度為5毫米，將記錄電極露出電極點(即上述步驟二中3)的圓形金記錄點)的一面朝下，平整地貼附在聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄塊上；

2)如圖4中b所示，將光刺激電極露出金電路層焊盤的一面朝上，并用直徑0.3毫米的鋼針穿過光刺激電極和記錄電極相同位置處的兩個對稱圓孔，扎入聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄塊中，輕輕按壓光刺激電極和記錄電極以保證接觸平整；

3)如圖4中c所示，在光刺激電極的四個方形孔位置處，涂抹少量環氧樹脂膠固定光刺激電極和記錄電極相對位置；

4)如圖4中d所示，等待環氧樹脂膠干后，拔出鋼針，將整個電極從聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄塊上取下來，有微型LED裸芯片和記錄電極點(即上述步驟二中3)的圓形金記錄點)的一端粘合在一起，光刺激電極、記錄電極另一端的長方形焊盤獨立分開，可以分別給微型LED芯片供電和采集神經信號。

如圖5中a、b所示，分別是本實施例粘合后光刺激電極一側向上的三維示意圖和局部放大圖、記錄電極一側向上的三維示意圖和局部放大圖，從三維示意圖可以清晰直觀地看出制備完成的整個電極外觀，局部放大圖展示了其貼附在大腦皮層一端的外觀尺寸為2×2毫米，滿足在小鼠或大鼠大腦皮層上選擇特定區域并貼附使用；另外，微型LED裸芯片中心距為500微米，記錄電極點(即上述步驟二中3)的圓形金記錄點)直徑為100微米，中心距為500微米，還可以根據實際刺激和記錄需要，更改微型LED裸芯片中心距、記錄電極點大小和中心距、微型LED裸芯片和記錄電極點相對位置，以及微型LED裸芯片和記錄電極點數目。

如圖6中a、b所示，分別是本實施例粘合后光刺激電極上微型LED裸芯片發光示意圖和主波長470nm的微型LED裸芯片和ChR2光敏蛋白敏感光波段的相對強度曲線圖，微型LED裸芯片的峰值波長和ChR2光敏蛋白敏感光峰值波長接近，相對強度曲線有重疊，說明微型LED裸芯片發出的光滿足引發ChR2光敏蛋白離子通道打開、產生電脈沖所需要的波長。

如圖7所示，為本實施例集成LED光刺激和電記錄的柔性神經電極器件工作原理圖，整個電極直接貼附在大鼠大腦皮層表面，通過給微型LED裸芯片陣列供電，微型LED裸芯片背面發出的藍光通過長方形孔直接照射到需要刺激的大腦區域，誘發ChR2基因轉染小鼠或大鼠神經元細胞產生電脈沖，并通過記錄電極同步采集電信號。

本實施例采用成熟可靠的金絲球焊法連接滿足刺激神經元尺度的微型LED裸芯片和光刺激電極與記錄電極，光刺激電極和記錄電極采用具有良好柔性和強度、耐高溫、良好生物相容性的聚酰亞胺材料，有效結合了微加工技術，工藝簡單；光可以不經過其他材料阻擋直接照射到需要刺激的區域，刺激效果好、性能可靠；光刺激電極和記錄電極的結合，締造了光刺激-電記錄一體的神經電極，為腦科學研究提供了一種新型神經電極工具。

實施例3

本實施例提供一種與實施例1類似的LED光刺激和電記錄集成的柔性神經電極器件的制備方法，包括：

一、光刺激電極的制備按以下步驟進行：

1)在500微米厚硅片上熱蒸發一層1.0毫米厚的鋁作為犧牲層；

2)旋涂一層光敏型聚酰亞胺Durimide 7505，經過前烘、曝光、顯影和固化，制作得到圖形化的光刺激電極底層聚合物絕緣層11，其厚度為5微米；在光刺激電極底層聚合物絕緣層11上面開有3個長方形孔，長方形孔的尺寸為190微米×270微米、中心距為700微米；在光刺激電極底層聚合物絕緣層11上面開有2個圓形孔，圓形孔的直徑為200微米、中心距為1.5毫米；在光刺激電極底層聚合物絕緣層11上面開有4個方形孔，方形孔的尺寸為300微米×300微米、中心距為1.5毫米；

3)濺射一層鉻和一層金，厚度分別為20納米和300納米；旋涂10微米厚正性光刻膠AZ4620；經過前烘、光刻、顯影和后烘，采用離子束刻蝕得到圖形化的光刺激電極中間金屬層10；光刺激電極中間金屬層10的一端設有三組圓形焊盤，每組包括兩個圓，圓直徑為250微米；光刺激電極中間金屬層10的另一端設有四路長方形焊盤，其中一路作為公共電路，用于連接所有微型LED裸芯片8陰極金焊盤；

4)制作得到圖形化的光刺激電極頂層聚酰亞胺絕緣層9，其厚度為5微米，在與光刺激電極底層聚酰亞胺絕緣層11相同位置處開有一樣大小的長方形孔、圓形孔和方孔，同時在光刺激電極中間金屬層10的圓形焊盤正上方開有三組圓形孔，每組包括2個圓，圓的直徑為200微米、間距為800微米；

5)旋涂100微米厚的SU-8膠，經過前烘、曝光、顯影和后烘，在光刺激電極頂層聚酰亞胺絕緣層9上需要放置微型LED裸芯片8的長方形孔的正上方，形成寬度為20微米的長方形凹槽7，長方形凹槽7內部尺寸為260微米×340微米，3個凹槽中心距為700微米；

6)用細針頭沾耐高溫紫外光固化膠(UV膠)涂抹在凹槽7內，如有條件可使用點膠機代替；

7)用鑷子將單個微型LED裸芯片8夾起，其陰、陽極金焊盤朝上放置在凹槽7內，輕輕按壓微型LED裸芯片8頂部，用紫外線固化燈照射涂膠區域使耐高溫紫外光固化膠固化，其中：微型LED裸芯片8型號為Cree公司的TR2432，尺寸為240×320×115微米；陰、陽極金焊盤的直徑為90微米、間距為135微米；

8)在金絲球焊機上使用直徑25微米的金絲5連接微型LED裸芯片8的陰、陽極金焊盤與對應的光刺激電極中間金屬層10一端的圓形焊盤，僅將金絲5的第二鍵合點輕輕壓在圓形焊盤上；

9)在圓形焊盤上用毛細玻璃管涂抹少量導電銀漿4，確保金絲5和圓形焊盤牢靠連接，盡量保證導電銀漿4在直徑200微米的圓形焊盤范圍內；

10)在微型LED裸芯片8、圓形焊盤和金絲5上方用細針頭涂抹透明有機硅膠，實現封裝；

11)通過電化學腐蝕或者稀鹽酸腐蝕鋁犧牲層，完成光刺激電極釋放。

二、記錄電極的制備按以下步驟進行：

1)在500微米厚硅片上熱蒸發一層1.0毫米厚的鋁作為犧牲層；

2)旋涂一層光敏型聚酰亞胺Durimide 7505，經過前烘、曝光、顯影和固化，制作得到圖形化的記錄電極底層聚酰亞胺絕緣層12，其厚度為3微米；在記錄電極底層聚酰亞胺絕緣層12的上面開有3個長方形孔，長方形孔的尺寸為140微米×220微米、中心距為700微米；在記錄電極底層聚酰亞胺絕緣層12上面開有2個圓形孔，圓形孔的直徑200微米、間距為1.5毫米；記錄電極底層聚酰亞胺絕緣層12上的長方形孔和圓形孔位置和光刺激電極上的長方形孔和圓形孔相同；

3)濺射一層鈦鎢合金和一層金，厚度分別為20納米和300納米；旋涂5微米厚正性光刻膠AZ4620，經過前烘、光刻、顯影和后烘，采用離子束刻蝕得到圖形化的記錄電極中間金屬層13，記錄電極中間金屬層13的一端有4個圓形金記錄點，圓形金記錄點的直徑為250微米、中心距為700微米；

4)制作得到圖形化的記錄電極頂層聚酰亞胺絕緣層14，其厚度為3微米，并在與記錄電極底層聚酰亞胺絕緣層12相同位置處開有一樣大小的長方形孔和圓形孔，同時在記錄電極中間金電路層13的圓形金記錄點正上方開有直徑為200微米的同心圓；

5)通過電化學腐蝕或者稀鹽酸腐蝕鋁犧牲層，完成記錄電極釋放。

三、光刺激電極與記錄電極的粘合：

光刺激電極與記錄電極的粘合過程同實施例1所述。

本發明可以進一步在電極制備完成后，對記錄電極的電極點進行表面改性，降低阻抗，提高信噪比，如超聲電鍍鉑黑，電鍍氧化銥或電鍍PEDOT/氧化石墨烯等，這部分內容將不在本發明中詳述。

本發明兩類電極制備工藝通用，LED和腦組織直接接觸，保證透光性，同時有效避免光與記錄電極之間由于光電效應對記錄結果造成影響；電極厚度小，保證貼附大腦皮層具有保形性；滿足急性實驗和長期埋植實驗需求，適用腦科學研究。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。