[发明专利]一种掺硼金刚石膜/碳膜复合电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及导电金刚石电极的制备，具体是指一种在不导电的材料表面，一面制备导电的掺硼金刚石膜，同时在另一面制备导电碳膜，获得复合电极材料的方法。

技术背景

神经系统是一个复杂系统，长期以来人类一直在努力探索它的奥秘，因此衍生了神经工程学，它是神经科学、材料科学、微电子技术以及信息科学的交叉学科。研究神经工程系统，对于揭示神经系统的工作机理以及探索神经疾病治疗和康复具有重要意义。在神经工程系统中最关键的是神经-电子接口即电极，它主要实现如下两方面的功能：一种是将神经活动转换为电信号被记录下来进行分析研究；另一种是利用电信号激励或抑制神经活动以实现功能性电刺激。一般要求记录电极材料信噪比高、灵敏度高，而对刺激电极材料的要求是低阻抗、高电荷储存和注入容量。如果要植入人体内还应当满足生物相容性好、长久耐腐蚀等。

目前采用的电极材料一般是铂、金、氧化铱、钨、硅等，虽然这些材料具有较好的生物相容性，但是这些材料在长期植入的条件下，仍然会出现腐蚀或组织覆盖失效的情况。从电极形式来看，针型神经微电极可以通过刺入组织实现深层神经刺激，但针型神经微电极植入时容易导致神经组织较大损伤；而平面式可以贴附在神经组织表面进行无损刺激，可应用的范围更广。周洪波等在《MEMS器件与技术》杂志2006年11卷上“神经工程系统中的微电极技术”一文中进行了总结。

金刚石具有极其优异的物理性质例如热导率高、耐高温、耐磨、耐腐蚀和良好的化学稳定性。金刚石是由碳元素组成，与生物体有良好的兼容性。化学气相沉积（chemical vapor deposition , CVD）制备的多晶金刚石薄膜，使人们大规模应用金刚石优异性质的愿望得以实现。重掺杂硼多晶金刚石薄膜除了具有金刚石本身的优异性质外，同时还具有与金属相当的导电性，是很好的电极材料。J. M. Halpern等在Diamond & Related Materials杂志2006年15卷上“Diamond electrodes for neurodynamic studies in Aplysia californica”报道了将掺硼金刚石沉积于钨丝上，制成线电极，植入加州海兔——种软体动物记录其进食时的神经信号，并与不锈钢线电极作对比，金刚石电极记录信号的信噪比更高。Ho-Yin Chan等在Journal of microelectromechanical systems杂志2009年18卷第3期“A Novel Diamond Microprobe for Neuro-Chemical and -Electrical Recording in Neural Prosthesis”报道了制备了全金刚石探测电极，用于神经递质检测，具有良好的性能。 

金刚石电极的特征包括信噪比高，优异的响应重复性和抵抗分子吸附产生的失活和电极污染，是一种极佳的记录电极材料，但是它的电荷储存能力相对较差，作为刺激电极还需要改性。然而含有sp²键碳膜电极阻抗低，相对于传统的金属刺激电极稳定性高，能够快速与溶液建立电化学平衡，电荷存储能力更高，也有较好的生物相容性，因此可作为很好的刺激电极。

发明内容

本发明设计了复合型平面电极材料，以不导电的材料例如本征硅为衬底，一面制备掺硼金刚石膜，用作记录电极；另一面制备碳膜，用作刺激电极，发挥两种材料的各自优势，在实现电刺激的同时进行电信号的检测。为保证两种电极之间的电绝缘，先在本征硅等材料上制备了不掺杂的金刚石膜。

本发明的目的是这样实现的：

首先采用化学气相沉积法（CVD）在本征硅片上沉积5μm以上的金刚石膜。另一面用金刚石粉进行研磨处理，然后将硅片切割成电极所需要的尺寸和形状。按常规方法清洗干净后，再用乙醇或丙酮超声清洗，吹干后待用。

采用化学气相沉积法（CVD）制备掺硼金刚石膜和碳膜。研磨面朝上，金刚石膜面紧贴基台。通过气体例如氢气鼓泡携带溶解在有机试剂中的三氧化二硼 （B₂O₃），在研磨面沉积掺硼金刚石膜。同时金刚石膜面受到高温和氧的刻蚀作用，部分金刚石转变形成含sp² 键的碳膜，制成掺硼金刚石膜和碳膜的双面平面式电极。