MEMS神经元微探针

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1、复旦大学硕士学位论文MEMS神经元微探针姓名：程正喜申请学位级别：硕士专业：微电子学和固体电子学指导教师：黄宜平20070605摘要MEMS神经元探针是研究神经系统的有力工具，是神经修复的基本元件，是人机接口的可行方案。本文根据神经生理研究的需要，采用MEMS技术研究了二维四针二电极神经元无源微探针，开展了微探针的结构设计、工艺制作和性能测量等工作，并将其初步应用於复旦神经生物研究所的SD大鼠的生理测试。Ⅳm本文研究了神经元无源微探针的制作，克服了工艺难点。解决了薄膜应力、RIE刻蚀和湿法腐蚀结构释放等关键技术。本文在这方面的主要贡献是：j1．薄膜应力的研究采用微悬臂梁法测量了热

2、生长氧化硅、PECVDSi02和PECVDSiN的应力，并采用ConventorWare软件进行了仿真。微悬臂梁法和仿真结果表明上述薄膜均为压应力，热生长氧化硅(5000j)的应力大约为0．3-0．5GPa，PECVDSi02(5000A)的应力约为0．1-0．2GPa，PEC、，DSiN(5000彳)接近无应力状态。对流片过程中出现的上绝缘层和Au之间的应力不匹配进行了有限元分析，并在工艺实现上提出了相关的解决方案。2．RIE刻蚀si采用统计分析的方法对刻蚀结果进行了分析，找出了较为合适的条件。刻蚀Si的速度达到1．0-3．0／zm／min。同时，首次用实验验证了舢在RIE刻蚀

3、过程中的催化作用。提出了一种简单易行的方法来控制刻蚀si的侧壁的角度，使刻蚀的侧壁倾角在85。．90。。对R难过程中，研究了金属Al掩膜的发热现象，以及由此引入的薄膜应力不匹配问题，采用了分部刻蚀方法得到解决。3．湿法腐蚀结构释放在释放过程中，提出了一种采用夹具和黑蜡结合的方法来保护正面结构，在释放的最后阶段采用RIE分别刻蚀每个器件所剩余的Si，解决了正面结构起伏较大(20-40“胁)情况下的释放问题，并保证了90％以上的单步良率。本文设计并制作的微探针长度为2．6-3ram，宽度为130．280“m，厚度为20-40／【lm。对探针的等效电路模型进行了研究，并且测量了探针在生

4、理盐水中的交流阻抗。在1KI-Iz时，其阻抗在100K-1M欧姆，符合神经元探针的要求。在电路模型的基础上，讨论了探针的噪音特性，并提出了一些改善噪音的有效方法。本文进行了多次的SD大鼠的在体生物实验，并根据生物实验结果对探针的设计参数和工艺流程进行了多次修改。结果表明探针是适合测量sD大鼠的大脑皮层体感I区的神经信号的。关键词：神经元，微探针，交流阻抗AbstractMEMSneuralmicroprobeisausefultoolforneurophysi0109yresearch，theessentialdeviceforneuralrepair，andfeasibleme

5、thodforbuildingbrain-machineinterface．Thispaperintroducesatwo—dimensionalmulti-electrodemicroprobewithfourforks．Specifictasksinvolvedesigningthestructureofmicroprobe，fabrication。andcharacterizationofelectricalproperties．Atlast．neuralsignalsofSDratsinS1areaareobtainedbytheneuralprobeinrive．The

6、taskofthispaperconcentratesonthefabricationoftwo-dimensionalmulti—electrodepassiveneuronprobe．Infabricationprocessing，manytechnicaldifficultiesaresolved，includingthinfilmstresses，RIEdeepetchingandreleasingofstructure．Thedetailsareasfollowing：1．ThinfilmstressesThemethodofmicro—cantileverisadop

7、tedtomeasurethestressofthethermalgrowthsiliconoxide，PECVDSi02andPECVDSiN．ThesoftwareofConventorWareisusedinthesimulationofthinfilmstresses．BecauseofthemismatchofthestressbetweentheinsulatinglayerandAuappearedintheexperiment，simulationanalysis