[發明專利]一種單光源植入式神經多點同步交互芯片及其制備方法

有效

• 申請號: 201210591084.1
• 申請日: 2012-12-31
• 公開（公告）號: CN103035774A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: 孫小菡;董納;蔣衛鋒;陳源源
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01L31/12
• 分類號: H01L31/12;H01L31/18
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明屬于半導體制造、化工、集成光學和神經工程技術領域，具體來說，涉及一種單光源植入式神經多點同步交互芯片及其制備方法。

背景技術

隨著對神經系統研究的深入，細胞級的神經細胞活動調制對于研究神經活動在神經網絡中傳輸擴散的性質，建立神經網絡機能模型至關重要。與此同時，一些復雜神經疾病，和對通常治療方法有抗性的動作或情緒失常，如帕金森病、張力障礙、運動神經元病、阿茲海默癥甚至一些精神疾病如重度抑郁等，其機理逐漸被揭示出來，屬于神經系統或腦部功能區域神經元細胞的衰退所致，對神經信號的細胞級人工激勵是治愈和緩解這些癥狀的有效手段之。因此一種新型神經交互裝置得到了發展，這種裝置對神經細胞進行人工激勵，同時對受激產生的神經信號進行記錄，完成所謂交互的過程。由于神經電生理信號的電本質，傳統的神經激勵信號為電信號，傳統的植入式裝置由電信道和植入電極構成。近車來，隨著基因技術的發展，在其輔助下可見光信號成為對神經系統進行細胞級激勵的有效媒介。相比神經電激勵，神經光激勵有以下優點：

1、使用獨立信道，不受電生理環境影響。

通過微電極向組織生理環境注入激勵電流，會與激勵起的神經電信號相互作用、干擾；而光束與神經電信號不會相互干擾。

2、對生物有機體副作用很小。

長期植入時，注入電流的并發癥與副作用不可忽視；而光束為安全的信號，不會影響生理環境。

3、配合相應的基因手段能夠實現神經活動的激發與抑制。

電激勵僅能實現神經細胞的激發，不能實現神經活動的抑制；而借助相應基因工程手段，光激勵能夠實現神經活動的激發與抑制。

4、光束可以被聚焦，以提高激勵精度。

電信號會在生理環境中向各個方向均等擴散，影響調控的精度；而光束可以被聚焦到微米級的點上，由于神經細胞的尺寸約為1～10μm，因此可以實現細胞級的精確激勵。

一些應用于新皮層、脊髓組織或視神經的微型植入式交互裝置需要對交互區域上多點實施同步激勵與記錄，其主要目的是增強神經激勵效果。目前，平面微加工工藝已經成為設計與制備基于光學神經激勵的植入式微型交互裝置的重要手段，并制造出一體化的集成神經多點交互芯片。但迄今為止，基于光學神經激勵的植入式神經多點交互芯片仍存在以下缺陷：

1、無源芯片的集成度低，需要額外連接，光傳輸損耗大

當前基于光學神經激勵的植入式神經多點交互芯片均為無源芯片，未集成光源模塊，故需要通過光纖外接光源，額外連接的機械特性如牢固性等會影響芯片植入時的穩定工作，額外連接還需要微米級光學對準，影響系統從光源到探頭末端的光傳輸效率，增大傳輸損耗；本發明單片集成了單光源發射模塊，整體解決了連接問題，降低了光傳輸損耗。

2、光路結構簡單，需要多個光源來實現多點交互，同步性較差

當前基于光學神經激勵的植入式神經多點交互芯片光路結構為線型波導結構，比較簡單，為了實現多點交互，需要使用多個線型波導，每個波導又要對應一個光源，每個光源又要由一套外接驅動電路來控制，交互點數量和交互的同步性都會受到影響；本發明引入分束式多點激勵探頭，實現了單光源多點同步交互，各支路間均勻性良好，簡化了系統。

3、光源驅動電路復雜，能耗較大，發熱量大，持續工作不穩定

當前基于光學神經激勵的植入式神經多點交互芯片采用多光源實現多點交互，多光源所需驅動電路復雜，能耗和發熱量均很大，影響系統的持續工作；本發明采用集成單光源結構，正常工作所需的能耗與熱量最低可降為原來的1/2ⁿ，利于持續穩定工作。

發明內容

技術問題：本發明要解決的技術問題是：提供一種單光源植入式神經多點同步交互芯片，該結構的芯片通過引入分束式多點激勵探頭減少了所需光源數量，避免額外連接，從而降低了能耗與發熱量，提高了持續工作的穩定性；同時，本發明還提供了該芯片的制備方法，該制備方法簡單易行，解決了單光源發射模塊發射層、分束式多點激勵探頭與記錄電路的集成問題。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：