视网膜柔性MEMS微电极的体外电化学稳定性评估

采用三电极测试法,研究了视网膜柔性MEMS微电极的体外电化学稳定性。结果表明,当体外测试的磷酸缓冲盐溶液的温度在人体生理性体温范围(35oC^40oC)内变化时,电极电化学阻抗没有发生显著变化。此外,在先负后正双相微电流脉冲(幅值为50μA)刺激下,电极附近区域生理盐水的pH值发生变化,且pH的变化值随着刺激电流频率的增大而减小:当频率从1Hz增加到100Hz时,由微电流刺激引发pH的变化值从0.03减小为0.005;而对电极施加单相电流刺激时(频率为150Hz,幅值为50μA),体外生理盐水的pH值随时间呈线性变化:正相刺激后pH值增加了0.15,负相刺激后pH值减小了0.15。

硅基MEMS三维微电极阵列的超电容特性

三维微电极是一种具有空间结构优势、电化学性能比二维微电极更加优越的微型储能结构.本文提出一种基于光刻、感应耦合等离子体刻蚀和溅射等MEMS工艺加工三维结构硅基微电极阵列的新方法.采用电化学阴极沉积工艺在微电极表面制备了纳米氧化钌功能薄膜.借助扫描电子显微镜、循环伏安测试和电化学交流阻抗谱测试等手段对三维微电极的表面形貌和电化学性能进行了表征,系统研究了阴极沉积电流密度、电沉积时间以及硅基微结构表面"微草效应"对三维微电极超电容特性的影响.所制备三维微电极的比电容达到1.57 F/cm2,与平面电极比电容0.42 F/cm2相比明显提高,而电化学阻抗比二维平面微电极显著降低.相关实验数据表明基于MEMS技术加工的三维结构微电极具有优于平面电极的电化学电容储能特性.

用于电刺激的植入式铂黑微电极(英文)

传统的植入式电刺激微电极表面积小,电极/组织界面阻抗高,并且电荷存储容量(CSC)小,这些都会增加植入式系统的功耗并影响电刺激效果.提出了一种在电极点电镀铂黑的方法来增加微电极的有效面积(ESA).通过在超声波浴下使用脉冲电流电镀的方法,可以极大地增加微电极的ESA,降低界面阻抗并增加CSC和电荷注入容量.铂黑微电极的几何特性和电学特性分别由扫描电子显微镜(SEM)和电化学分析仪测定,并与未镀铂黑的电极特性进行了对比,对铂黑镀层的机械稳定性也做了相应的测试.实验结果表明,铂黑镀层的纳米结构使铂黑电极相比普通铂电极界面阻抗降低了1/16,CSC扩大13倍.在5 min的室温超声波衰减实验中,阴极电荷存储容量(CSCC)仅减小20%.

基于MEMS技术的三维氧化钌微电极准电容特性

为增强电极在单位底面积上的电荷储存能力,设计利用MEMS技术制作高深宽比三维微电极结构,以增大电极结构表面积,并在结构表面制作功能膜形成电极.以硅为基底,SU-8光刻胶为材料制作了三维微电极结构,在结构表面溅射金作为集流体,用两电极体系进行方波脉冲电沉积,在三维微电极结构表面沉积氧化钌作为活性物质,制备了三维微电极.用扫描电镜和能谱对微电极表面形貌和物质组成进行表征,用循环伏安法等对微电极的电化学特性进行测试,三维微电极的比容量达0.79 F/cm2.

基于MEMS技术的柔性神经刺激微电极的研究进展

综述了基于聚合物材料和MEMS技术的柔性神经刺激微电极的发展现状和面临的挑战,并对神经刺激微电极的发展方向进行了展望。

碳纳米管在MEMS微电极中的应用研究

采用丝网印刷技术,将配制好的碳纳米管浆料涂敷到金属衬底上,形成碳纳米管薄膜,用四探针仪及表面轮廓仪分别测量了薄膜的方块电阻和表面粗糙度.结果表明,将碳纳米管球磨1 h,以质量比10%～12%与有机溶剂混合配制成浆料,丝网印刷后在真空烘箱内加热至100℃,干燥1 h,最后350℃烧结40 min,所获得的碳纳米管薄膜具有较好的导电性和较平整的表面.根据测量结果,优化了工艺参数,并结合微细加工技术获得了碳纳米管MEMS微电极.

植入式多通道神经微电极的发展

人类的大脑约由800亿神经细胞构成,这些神经元之间的连接将大脑组成了一个超复杂的神经网络,要研究大脑的功能机制,破译其神经网络的信息编码原理,一个重要的方法是在大脑神经元网络中,同时观察、记录尽可能多的单个神经元活动信号。植入式多通道神经微电极作为一种可实时记录多个神经元峰电位信号的器件,在神经信号的时间分辨率和设备的便捷性方面有着其它神经成像技术不可替代的优点。在不影响大脑功能甚至动物行为的前提下,为了在大脑中植入通道数更多的电极,需要在植入式多通道电极的材料、结构、集成方式和植入及封装方法等方面不断地进行改进创新和优化。本文简要回顾了多通道微电极技术的发展历史,重点介绍了采用微加工技术制备植入式多通道微电极的发展历程和研究现状,对未来的发展趋势进行了展望。

植入式柔性神经刺激微电极研究进展

柔性微电极为电子系统与生物组织间提供一个信息交换界面。主要详述了不同设计的神经微电极,比如筛状电极、卡夫电极、螺旋电极及剑状和针形电极等,并且比较和讨论了它们的分类、结构以及特点。

基于MEMS技术的高密度视网膜假体微电极阵列的研制

提出了一种基于MEMS技术设计和制作应用于视网膜假体的柔性神经微电极阵列的工艺流程,引入离子束刻蚀的工艺大幅度减小了导线和线间的宽度,在单层聚合物上制作了高密度的微电极阵列(120通道,10×12阵列)。对实际制得的微电极阵列测试表明,其在1 kHz频率的电脉冲刺激下阻抗均值为16 kΩ±2 kΩ,相位差均值为-85o±3o,达到了预期设计目标。

基于MEMS的人工视网膜微电极阵列的研究进展

近年来神经刺激器发展迅速,取得了从概念到临床应用的卓越成果。如人工耳蜗、心脏起搏器、神脑刺激器、人造视网膜假体等。刺激电极正是通过对生物组织(比如神经、肌肉等)进行电刺激引起其兴奋,使之产生冲动。其中视网膜假体对刺激电极有着严格要求,必须设计制备具有高密度、植入损伤小、刺激有效、长期工作稳定和生物安全性高,并且能够和电气部分实现良好连接的刺激电极模块。因此,本文主要对近年来国内外多种植入式电极从材料、制备工艺、表面修饰、性能测试等方面进行总结,同时提出了其中的不足并进行了展望。

基于MEMS技术可植入微压力传感器的检测电路设计(英文)

为实现体内压力(如:血压、颅内压等)的实时监测,采用微机电系统(MEMS)技术制造出植入式微压力传感器.由于它是电容式传感器,在信号读取系统中,首先通过集成电路CAV414将电容信号转换为电压信号.通过理论计算和实际试验测试,微压力传感器初始电容值为15 pF.CAV414检测范围是10 pF^2 nF,检测精度为电容初始值的5%,因此在该系统中可检测到的电容最小变化量为0.75 pF,其输出电压范围为0~5 V,该电压信号可以直接作为模拟/数字转换器(ADC)的输入信号.选用ADC0809实现模拟信号向数字信号的转换.ADC0809为一款8通道8位模数转换器,通过FPGA实现对ADC0809的驱动控制.ADC0809的8位输出信号直接作为数字信号的输入,在本文试验中数字信号处理通过FPGA编程实现.

基于Parylene的柔性生物微电极阵列的制作

在神经工程中,微电极阵列是神经系统与外界电子电路的接口,其性能决定了整个神经系统的信号采集和刺激的效果.提出了一种基于Parylene的半球形柔性生物微电极阵列.在微电极的制备过程中,使用了光刻胶热熔技术和MEMS技术.半球形形貌的微电极有利于形成和神经组织的良好接触,并且相比同底面积的平板电极,表面积增加为2倍,这有利于降低界面阻抗,降低系统功耗.使用化学气相沉积法沉积Parylene C薄膜作为微电极的封装材料,它具有良好的生物相容性和柔性,可以降低对神经组织的损害.实验结果表明,与此半球形微电极底面积大1.3倍的平板电极相比,半球形微电极的界面阻抗下降了55%,并且界面阻抗随着微电极顶部开口直径的变化而变化.使用Comsol有限元软件进行了电极/组织液液面流出电流密度仿真,仿真结果也表明,微电极的流出电流密度也随着微电极顶部开口直径的变化而变化,因此可以通过调整微电极顶部开口直径来调节电流密度,从而满足不同部位需要不同电流密度刺激的要求.

MEMS微针阵列及其在生物医学上的应用

利用微机械技术制作的 MEMS微针阵列是 MEMS技术在生物医学上一个重要应用 ,它为生物医学领域提供了新的医疗手段。微针技术在精确药物注射、临床监测、生化检测等领域有着广泛的发展前景。本文介绍了MEMS微针阵列在生物医学领域的三个方面的重要应用 :生物医学微针电极、经皮药物传输及流体采样 ,对他们的应用原理和当前的最新技术进展进行了概述 ,说明了 MEMS微针应用的特点 ,它为患者提供了无痛、高效、安全的医疗手段 ,更符合医学研究人性化的特点。另外 ,讨论了微针阵列制作的一系列工艺方法。

用于视觉假体的柔性生物微电极阵列的设计和制作

提出了一种用于视网膜假体的基于Parylene的柔性微电极阵列的设计和制作。微电极阵列为5×5,通过光刻胶热熔回流技术形成的电极点为半球形凸起,底部直径为60μm,高度大约为24μm。整个电极具有很好的柔韧性,能够更好的适应视网膜表面轮廓,提高刺激效果。同时,电极具有很好的透明性,便于手术时电极的植入和手术后对生物组织的观察。

离体电生理检测微电极阵列传感器的设计与制备(英文)

针对动物离体组织电生理检测的实际需求,设计并制备了一种以载玻片为基底,以微电极阵列为敏感元件,并将灌流装置集成一体的传感器芯片.采用微电子机械系统(MEMS)技术中的薄膜工艺完成了微电极阵列的制备,其导电层和绝缘层分别是铂和氮化硅.采用聚二甲基硅烷(PDMS)浇铸制成埋有管道的方形灌流槽.该传感器可保持离体组织的生理活性,同时实现电生理信号的64通道同步记录.整个芯片结构紧凑,接口简单,使用方便.对芯片的电学性能进行了研究,结果表明,通过在微电极表面电镀修饰铂黑,可有效降低其交流阻抗,提高信噪比.

纳米材料与微电极生物传感器

主要阐述了利用微电子机械加工技术制作一种新型的微电极集成生物传感器 ,并利用电化学方法在微电极表面固定超微粒的纳米材料 ,检验纳米材料对生物传感器稳定性、灵敏度、响应时间等影响。这种具有纳米尺度效应的生物传感器将在生物医学领域有着广阔的应用前景。

视网膜假体微电极的研究进展

从视网膜上假体和视网膜下假体两个方面,介绍了视网膜假体微电极阵列的研究进展和面临的挑战,并且对今后的微电极阵列的发展方向进行了展望。

植入式滚珠丝杠副振动检测系统

传统的滚珠丝杠副的振动检测是通过对加装于外部的振动传感器的输出振动信号实施数据采集实现,该方法无法实现在线检测。提出了一种植入式在线振动检测方法,可对数控机床上的滚珠丝杠副的振动实施在线自动无线监测。检测系统植入于滚珠丝杠副中,采用MEMS三轴加速度计检测滚珠丝杠副的振动,MCU收集振动数据,并通过LoRa扩频通信技术将振动数据无线发送至服务器。设计、测试了检测系统,结果表明系统能够在植入状态下实现对滚珠丝杠副振动的信号采集及无线可靠传输,为滚珠丝杠副振动的在线检测提供了新的方法。

MEMS用新型微型超级电容器的制造及性能分析

采用微加工工艺为MEMS制作了一种基于电化学赝电容原理储能的微型能量存储器件——新型微型超级电容器。通过光刻、感应耦合等离子体刻蚀和溅射等MEMS微加工工艺制作了硅基3D微电极阵列，并在其表面用阴极电沉积法制备了氧化钌功能薄膜。采用循环伏安法和交流阻抗法研究了3D微电极的性能，系统比较了3D微电极与平面微电极的电化学性能，测试结果表明3D微电极的比电容达1．57F·cm^-2。基于三维微电极阵列阳极和钌钛金属氧化物阴极组装了微型超级电容器，恒流充放电测试结果表明该电容器的比容量达0．73F·cm^-2，比功率达0．50mW·cm^-2，比能量达0．36J·cm^-2。

基于溅射法集成氧化铱的双模微电极阵列

微电极阵列可在彼此独立的电极点上通过改性材料修饰完成多功能集成,是脑机接口的核心部件。使用微电子机械系统(MEMS)工艺结合溅射、剥离工艺将氧化铱薄膜作为pH响应功能层集成在微电极阵列对应的电极点上,同时研究了氧化铱薄膜在微米尺寸进行图形化的可行溅射参数。进行了微观形貌测试、元素表征和pH响应测试,结果表明成功在对应电极点上集成了均匀性良好的氧化铱薄膜,其对于pH的响应性能优异,具有约为56.52 mV/pH的灵敏度,线性相关度约为0.999。这使集成了氧化铱功能层的微电极阵列有望在体内植入的研究中实现对脑区pH值的观测。