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三维微电极阵列的研究及其应用

作　者: 周然
导　师: 陈迪
学　校: 上海交通大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 微机电系统 集成电路测试 探卡 生物电极 微加工工艺 有限元仿真
分类号: TP211.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着MEMS技术飞速发展,集成机械、电子、光学和生物功能的三维微器件或微结构越来越得到众多研究者的重视。本文针对三维微电极阵列和聚合物基底的特点,将其应用到集成电路测试用MEMS探卡和生物刺激微电极的研究中:MEMS探卡可以有效地突破传统针卡在配针方向、配针密度、配针精度等方面的限制,有效提高测试可靠性,提升测试整体的效率,降低测试成本,成为探卡的发展趋势。本文提出了一种新型基于PDMS弹性基底的MEMS探卡结构及其制作工艺,来减少工艺步骤和制作成本,使探卡获得高密度和理想的力学、电学性能,更加具有应用可行性。视网膜假体的研究主要关注于色素上皮片层移植,替代光感受器,输入电刺激信号。而直接对视神经或神经纤维的刺激,也能在一定程度上恢复患者的部分视觉。这种神经刺激的方式要求电极高度需要超过50μm以上,能够进入神经纤维层。因此本文还设计了一种基于聚酰亚胺柔性衬底的三维微电极阵列结构,其工艺简单,成本低廉,安全性高,适用于视神经刺激。论文的主要内容及结果如下:设计了以聚合物PDMS材料为基底,聚酰亚胺为中间层,Cu电极柱为探针的弹性基底MEMS探卡结构。采用COMSOL软件对设计结构进行力学性能有限元分析,得出探针位移随PDMS层和聚酰亚胺层厚度的变化规律,为弹性基底制备提供理论基础。成功运用MEMS微机械加工技术制备出PDMS-PI弹性基底探卡,探针直径25μm,高度65μm。采用Nano Indenter XP纳米压痕仪对弹性基底和探针结构进行了力学性能测试,当PDMS层厚度为180μm、聚酰亚胺层厚度为50μm时,探针的弹性系数为583 Nm-1;采用直流探针和Agilent E4991A阻抗分析仪对制备后的探卡结构进行了电学性能测试,从探针尖端到外围引线末端的直流接触电阻为0.4 ?,在1-250 MHz测试频率内,探针间特征阻抗大于5 k?,满足探卡性能要求。对于生物刺激微电极阵列,分别探索SU-8工艺路线和正胶AZ50XL厚胶工艺路线,并最终采用正胶工艺制备得生物电极,电极高度达到80μm,能够进入视神经纤维层,并在生理盐水中使用三电极法对其进行电化学性能测试。在频率为103～104 Hz时,阻抗大小约为1.5～0.3 k?,相位延迟约为-63°～-65°。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章 绪论  11-27
  1.1 微机电系统概述  11-12
  1.2 主要微机械加工技术  12-17
    1.2.1 表面微机械加工技术  12-13
    1.2.2 体微机械加工技术  13-15
    1.2.3 LIGA 技术  15-17
  1.3 集成电路的测试  17-23
    1.3.1 测试原理和方法  17-19
    1.3.2 晶圆级IC 测试探卡  19-23
  1.4 生物刺激微电极  23-25
  1.5 本文研究的意义和主要内容  25
  1.6 本章小结  25-27
第二章 MEMS 探卡设计与仿真  27-39
  2.1 PDMS 基底探卡的设计  27-32
    2.1.1 PDMS 的物理化学性能  27-28
    2.1.2 聚酰亚胺的作用  28-30
    2.1.3 PDMS 弹性基底探卡设计  30-32
  2.2 有限元分析  32-38
    2.2.1 弹性材料的Mooney-Rivlin 模型  33-36
    2.2.2 PDMS 厚度对探卡力学性能影响  36-37
    2.2.3 聚酰亚胺厚度对探卡力学性能影响  37-38
  2.3 本章小结  38-39
第三章 探卡器件制备和测试  39-54
  3.1 PDMS 弹性基底的制备工艺  39-43
  3.2 弹性基底探卡的制备工艺  43-46
  3.3 探卡制备结果  46-49
  3.4 力学性能测试  49-51
  3.5 电学性能测试  51-52
  3.6 本章小结  52-54
第四章 三维生物刺激微电极阵列的制备和测试  54-66
  4.1 三维生物刺激微电极阵列的设计  54-56
  4.2 三维生物刺激微电极阵列的制备  56-64
    4.2.1 SU-8 胶工艺制备微电极阵列  56-60
    4.2.2 正胶制备工艺生物刺激微电极阵列  60-64
  4.3 三维生物刺激微电极阵列的测试  64-65
  4.4 本章小结  65-66
第五章 全文总结  66-68
  5.1 主要结论  66-67
  5.2 研究展望  67-68
参考文献  68-72
致谢  72-73
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  73-75

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 一般自动化元件、部件 > 机电元件、部件
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