TW201313189A - 用於神經訊號偵測之可撓性微電極及其製作方法 - Google Patents

Abstract

一種用於神經訊號偵測之可撓性微電極及其製作方法，其係於一暫時基板上成長一石墨烯電極層，接著成長一圖案化的軟性基板，而後去除該暫時基板僅留下一包括該石墨烯電極層以及該軟性基板的電極體，並利用一絕緣層包覆於電極體之外表面，並露出該生物電極端以與生物體接觸進行訊號量測。本發明利用石墨烯電極層而具有高導電性、高生物相容性以及低雜訊之特點，並透過軟性基板而達到可撓之特性，增加該生物電極端與皮膚的貼附性，且降低穿刺皮膚時可能造成生物組織發炎的問題。

Description

用於神經訊號偵測之可撓性微電極及其製作方法

本發明係有關一種可撓性電極，尤指一種用於神經訊號偵測之可撓性微電極及其製作方法。

大腦與神經網路是由許多神經元(neuron)互相連結所構成的複雜網路。了解神經網路的運作，對於神經方面的疾病診斷、治療，甚至神經輔具(neural prosthesis)的製作均極為重要。探針具有良好之刺穿能力，可在活體(in vivo)狀態研究電生理訊號的變化，並可作為生理類比訊號與電腦數位訊號分析的溝通橋樑。

而上述用於生物微機電量測的電極，因為要能傳導訊號極為微弱的神經電流，必須要具備「高導電性」之特性，並且，為了使生物細胞能附著於電極上並存活，電極亦必須具有「高生物相容性（biocompatibility）」。另外，若直接使用於生物的體表，由於細胞或組織會受生物體心跳或呼吸的影響而產生脈動，當探針與生物體接觸時，這些脈動會造成探針與細胞間產生微小摩擦，而加速生物體的發炎反應，因而電極的「可撓性（Flexibility）」便為重要的需求條件之一。

如美國專利申請第12/638,429號之「MICROELECTRODE ARRAY AND METHOD FOR MODIFYING CARBON NANOTUBE ELECTRODE INTERFACE OF THE SAME ARRAY」，其揭露了一種以奈米碳管為電極介面之電極，並且使奈米碳管的表面帶有大量的碳氧官能基團，藉以大幅降低上述電極與生物組織液介面的阻抗，而獲致較佳之量測品質。另如美國專利公開第20100268055號之「Self-Anchoring MEMS Intrafascicular Neural Electrode」，其揭露了一種自我進行對位的微機電神經電極，其用以偵測、記錄、激發神經系統中的神經活動，以及神經系統周邊的神經束，並揭露該神經電極的使用方法。但上述技術所揭露之電極的導電性仍產生很大的雜訊，無法滿足目前對於訊號偵測的敏感度要求，且其生物相容性以及可撓性仍有待加強。

本發明之主要目的，在於提供一種具高生物相容性、可撓性佳以及高導電性的電極結構。

為達上述目的，本發明提供一種用於神經訊號偵測之可撓性微電極的製作方法，其包含有下列步驟：

S1：於一暫時基板上成長一石墨烯電極層；

S2：於該石墨烯電極層遠離該暫時基板之一表面成長一軟性基板；

S3：去除該暫時基板，僅留下一包括該石墨烯電極層以及該軟性基板的電極體，該電極體具有一生物電極端以及一介面連接端；以及

S4：利用一絕緣層包覆該電極體並露出該生物電極端。

藉由上述步驟所完成之可撓性電極之結構包含有一電極體以及一絕緣層，該電極體包含有一軟性基板以及一設置於該軟性基板上的石墨烯電極層，且該電極層具有一生物電極端以及一介面連接端；該絕緣層包覆該電極體並使該生物電極端露出於該絕緣層之外。

由上述說明可知，由於該石墨烯電極層係為二維的碳結構，因而具有相當良好的導電性，且石墨烯的生物相容性也遠優於一般的金屬電極，而本發明搭配軟性基板以及絕緣層之使用，而達到彈性可撓以及隔絕外部干擾的效果。

有關本發明之詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：

請參閱「圖1A」至「圖1F」所示，本發明係為一種用於神經訊號偵測之可撓性微電極的製作方法，其包含有下列步驟：

S1：於一暫時基板10上成長一石墨烯電極層20，如「圖1A」所示，該石墨烯電極層20係利用化學氣相沉積的方式成長於該暫時基板10上。更詳細的說明，該暫時基板10之材質為銅，係於一爐管中通以氫氬混合氣體，並以退火程序去除該暫時基板10上的有機物以及氧化物，接著在1000℃的溫度下通以甲烷（Methane），以形成該石墨烯電極層20於該暫時基板10之表面。

接著，為了使得後續製程在更為穩定的環境底下進行製程，本發明更具有一步驟：

A1：成長一轉印基板30，如「圖1B」所示，其係成長於該暫時基板10遠離該石墨烯電極層20的表面，於本實施例係以旋轉塗佈的方式形成於該暫時基板10表面，該轉印基板30之材質為聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）。

S2：成長一軟性基板40，如「圖1C」以及「圖2A」所示，其係於該石墨烯電極層20遠離該暫時基板10之一側利用旋轉塗佈的方式，成長該軟性基板40，該軟性基板40之材質為SU-8，係一環氧樹脂型之負光阻(epoxy-based)，利用SU-8本身可製備為高厚度以及軟質特性，而形成絕緣度高且可撓特性佳的該軟性基板40，接著，以圖案化製程的方式使該軟性基板40形成一第一端41及一相對該第一端41的第二端42，該第一端41朝一遠離該第二端42的方向漸縮，且該第二端42朝一遠離該第一端41的方向漸擴。本實施例中，該第一端41係成形為一尖針狀，而該第二端42成形為一平板狀，然依實際需求，該軟性基板40的該第一端41與該第二端亦可使用圖案化製程成形為其他適當的形狀。

A2：去除該轉印基板30，請配合參閱「圖1D」所示，完成該軟性基板40之製備後，去除該轉印基板30。

S3：去除該暫時基板10，請配合參閱「圖1E」以及「圖2B」所示，接著以鐵離子氧化物去除該暫時基板10，並以該軟性基板40作為遮罩層，一併對該石墨烯電極層20進行圖案化製程，使該石墨烯電極層20對應於該軟性基板40之形狀，最後僅留下一包括該石墨烯電極層20以及該軟性基板40的電極體60，該電極體60具有一生物電極端61、一介面連接端62以及一介於該生物電極端61與該介面連接端62的中間區域63，該生物電極端61往一遠離該介面連接端62的方向漸縮，該介面連接端62往一遠離該生物電極端61的方向漸擴，且同該第一端41與該第二端42，該生物電極端61及該介面連接端62分別成形為一尖針狀與一平板狀。本實施例係以依序對該軟性基板40與該石墨烯電極層20進行圖案化製程作為舉例說明，然本發明並不限於此，依實際製程，亦可同時對該軟性基板40與該石墨烯電極層20進行圖案化製程，而形成預期的形狀。該生物電極端61係供與一生物體（圖未示）接觸進行訊號量測，並透過該介面連接端62將訊號傳送至一檢測儀器（圖未示）。

S4：絕緣包覆，如「圖1F」及「圖2C」所示，利用一絕緣層50包覆該石墨烯電極層20以及該軟性基板40之外表面，即該電極體60的中間區域63，但露出該電極體60之生物電極端61之位置，供該生物電極端61對生物體進行接觸量測，而該絕緣層50之材質係為聚二甲基矽氧烷（PDMS）。另需說明的是，該介面連接端62可依據實際需求，選擇露出於該絕緣層50之外或被包覆於該絕緣層50之內，以搭配連接的儀器使用。

請配合參閱「圖3A」所示，其係為神經細胞於玻璃之附著狀況，一般來說其生存以及附著狀況為最好，其密度可達到74.6平方釐米，但玻璃之導電性不佳。而利用本發明製備之石墨烯其導電度大於15,000cm²v^-1s^-1，而由圖「3B」中可得知，其密度大約為61平方釐米，而神經細胞附著於一般金屬之細胞密度僅為20平方釐米左右，可知本發明之石墨烯電極層20在生物相容性之表現優於一般金屬。而該石墨烯電極層20除了以一般化學氣相沉積的方式成長之外，更可以利用蒸氣電漿（steam plasma）的方式形成於該暫時基板10上，藉此增加該石墨烯電極層20之電化學以及生物相容性，由「圖3C」中便可得知，其神經細胞附著密度可達77.4平方釐米，已達到與附著於玻璃之細胞附著密度相同之等級，顯示其生物相容性良好之特性。

請再配合參閱「圖4」所示，透過本發明之可撓性電極進行量測而取得之訊號，其訊雜比（Signal to Noise Ratio, SNR）可達到35.38dB左右，因而可得到較佳的訊號量測結果，而取得較好的訊號敏感度。

本發明亦揭露一種用於神經訊號偵測之可撓性微電極，包含有該電極體60以及該絕緣層50。該電極體60包含有該軟性基板40以及設置於該軟性基板40上的該石墨烯電極層20，並具有一生物電極端61以及一介面連接端62，其中，該軟性基板40之材質為SU-8高分子；該石墨烯電極層20對應於該軟性基板40之形狀；該絕緣層50包覆該電極體60，但露出該生物電極端61之位置，而使該生物電極端61露出於該絕緣層50之外，而於本實施例中，該絕緣層50亦排除該介面連接端62之位置，而使該介面連接端62露出於該絕緣層50之外，以供量測儀器連接使用，其中該絕緣層50之材質為聚二甲基矽氧烷。

綜上所述，由於該石墨烯電極層20係為二維的碳結構，因而具有相當良好的導電性，且石墨烯的生物相容性也遠優於一般的金屬電極，利用搭配軟性基板40以及絕緣層50之使用，而達到彈性可撓以及隔絕外部干擾的效果，避免於接觸時因為些微振動造成摩擦，使得生物體發生發炎現象。除此之外，本發明亦揭露了利用蒸氣電漿的製作方式，提高該石墨烯電極層20之生物相容性，使本發明之微電極同時具有可撓性、高生物相容性以及高導電性之特點。因此本發明極具進步性及符合申請發明專利之要件，爰依法提出申請，祈 鈞局早日賜准專利，實感德便。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅爲本發明之一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍內。

10．．．暫時基板

20．．．石墨烯電極層

30．．．轉印基板

40．．．軟性基板

41．．．第一端

42．．．第二端

50．．．絕緣層

60．．．電極體

61．．．生物電極端

62．．．介面連接端

63．．．中間區域

圖1A-1F，為本發明一較佳實施例之製程流程示意圖。

圖2A-2C，為本發明一較佳實施例之立體結構製程示意圖。

圖3A，為玻璃之神經細胞附著示意圖。

圖3B，為本發明一較佳實施例之神經細胞附著示意圖。

圖3C，為本發明另一較佳實施例之神經細胞附著示意圖。

圖4，為本發明一較佳實施例之訊雜比示意圖。

20．．．石墨烯電極層

40．．．軟性基板

41．．．第一端

42．．．第二端

50．．．絕緣層

60．．．電極體

61．．．生物電極端

62．．．介面連接端

Claims (15)

1. 一種用於神經訊號偵測之可撓性微電極的製作方法，其包含有下列步驟：
   S1：於一暫時基板上成長一石墨烯電極層；
   S2：於該石墨烯電極層遠離該暫時基板之一表面成長一軟性基板；
   S3：去除該暫時基板，僅留下一包括該石墨烯電極層以及該軟性基板的電極體，該電極體具有一生物電極端、一介面連接端以及一介於該生物電極端與該介面連接端的中間區域；以及
   S4：利用一絕緣層包覆該中間區域並露出該生物電極端。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於神經訊號偵測之可撓性微電極的製作方法，其中該石墨烯電極層係利用化學氣相沉積的方式成長於該暫時基板上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之用於神經訊號偵測之可撓性微電極的製作方法，其中該軟性基板係為SU-8材質，該暫時基板之材質為銅。
4. 如申請專利範圍第1項所述之用於神經訊號偵測之可撓性微電極的製作方法，其中於步驟S1中，該石墨烯電極層利用蒸氣電漿的方式形成於該暫時基板上。
5. 如申請專利範圍第1項所述之用於神經訊號偵測之可撓性微電極的製作方法，其中於步驟S2中，該軟性基板係利用旋轉塗佈形成於該石墨烯電極層上。
6. 如申請專利範圍第1項所述之用於神經訊號偵測之可撓性微電極的製作方法，其中於步驟S4中，該絕緣層包覆該中間區域並露出該電極體之介面連接端。
7. 如申請專利範圍第1項所述之用於神經訊號偵測之可撓性微電極的製作方法，其中於步驟S4中，該絕緣層之材質係為聚二甲基矽氧烷。
8. 如申請專利範圍第1項所述之用於神經訊號偵測之可撓性微電極的製作方法，其中於步驟S3中，利用圖案化製程使該電極體的該生物電極端成形為往一遠離該介面連接端的方向漸縮，且該電極體的該介面連接端成形為往一遠離該生物電極端的方向漸擴。
9. 一種用於神經訊號偵測之可撓性微電極，包含有：
   一電極體，包括一軟性基板與一設置於該軟性基板上的石墨烯電極層，且該電極體具有一生物電極端以及一介面連接端；
   一絕緣層，包覆該電極體並使該生物電極端露出於該絕緣層之外。
10. 如申請專利範圍第9項所述之用於神經訊號偵測之可撓性微電極，其中該電極體更包括一介於該生物電極端與該介面連接端之間且由該絕緣層包覆的中間區域。
11. 如申請專利範圍第9項所述之用於神經訊號偵測之可撓性微電極，其中該軟性基板之材質為SU-8高分子。
12. 如申請專利範圍第9項所述之用於神經訊號偵測之可撓性微電極，其中該絕緣層之材質為聚二甲基矽氧烷。
13. 如申請專利範圍第9項所述之用於神經訊號偵測之可撓性微電極，其中該介面連接端露出於該絕緣層之外。
14. 如申請專利範圍第9項所述之用於神經訊號偵測之可撓性微電極，其中該電極體之生物電極端往一遠離該介面連接端的方向漸縮。
15. 如申請專利範圍第9項所述之用於神經訊號偵測之可撓性微電極，其中該電極體之介面連接端往一遠離該生物電極端的方向漸擴。