具体实施方式
图1中示出了示例性电极封装,该电极封装具有多个电极1。图2示出了图1中用a标示的方框的放大版本,给出了一个电极1的详细描述。图3示出了图2中用b标示的方框的放大版本,给出了在进行电连接之前,对电极1的电极层2的进一步详细描述。
示例性电极1包括半导体衬底3、绝缘介质层4和电极层2。电极层2具有暴露的表面5,表面5设置为在使用中与相关介质(如支持正在被测细胞的培养液)接触。虽然可省略绝缘层4,而且电极层2可直接与衬底3接触,但是本文讨论的实施例仍在衬底3和电极层2之间具有绝缘层4。
图1中所示的电极封装是开放的封装,其可暴露表面5并隔离接合焊盘6a和接合线6b。在暴露的表面5周围有钝化层7。图1中所示的例子具有培养室8,培养室8设置用于容纳体外应用的培养液。如下所讨论,也可在制造过程期间选择性地使用封装和培养室8以容纳电解质和刻蚀剂,这具有简化制造的优点。
在提供电连接之前,示例性部分完整的电极层2的基础结构详细示于图3中。电极层2包括由阳极氧化铝(如下的进一步详述)制成的多孔氧化铝层9。在氧化铝层9和绝缘层4之间设有薄铝层10,该薄铝层10可作为至/自电极1的电连接(未显示电连接)。在这个例子中,每个孔的基座上还设有氧化铝层11。
此处所讨论的实施例中,所述多孔层指的是氧化铝,但是作为一种代替方案,也可使用如下所述的其它阀金属氧化物。
图4示出了示例性电极层2。在这个实施例中,电极1还包括与绝缘层4相邻的阻挡层12(其可为例如钛和/或氮化钛)。此外,在图4的实施例中,在阻挡层12的一些区域中氧化铝层9和阻挡层12之间不存在铝,只留有氧化铝阻挡层13,而在其它区域中,只有极少量的铝14残留。
在另一个实施例(未示出)中,没有铝可残留,所以也不会有少量的铝14,而只存在氧化铝阻挡层13。
图5A和图5B示出了示例性电极层2,其中电极1中的每个电极层都有薄铝层10,而没有阻挡层12,而且也没有氧化铝阻挡层13。图5A中所示的实施例具有狭长孔,而图5B具有短宽孔。
可通过任何适当方式使用任何残留的铝10、14或阻挡层12在上述实施例中进行电连接(未示出)。
图6A示出了如图5A中的实施例,但是还进一步包括填充孔的贵金属涂层15。首先,这样的涂层15提高了电极1的导电性。涂层也可用于在电极表面5和自10、14或12的电连接之间建立电连接。任何可能会无法通过厚氧化物阻挡层11、13进行传导的或在其下缺乏导电铝10的孔,都可经由金属涂层15进行电连接。其次,这防止了腐蚀性介质流入孔的基座上的任何残留铝中。
贵金属涂层15的精确性质可发生改变。一种可替代的用于填充孔的涂层15(如图6A所示)是遵循多孔氧化铝形状的薄层(如图6B所示),提供了一种基于多孔铝性质的高表面积,或提供了一种部分填充各孔的层,因此这不但提供了薄层的益处,而且也最小化腐蚀性介质渗透到氧化铝下层的危险。这种涂层15的一个实施例是韧性铂层。
图7示出了如图6A中的实施例,其还进一步包括附加涂层16以进一步提高性能。例如,该涂层可以是“铂黑”(“镀铂”)。
另一个实施例(未示出)采用主要用于填充孔的金属涂层15,类似于图6A中所示的实施例,但是多孔氧化铝并没有完全被金属覆盖。然后用酸电解质回蚀部分氧化铝,以留下贵金属“棒”的纳米网纹表面。通过对贵金属棒基座的结构支撑和任何来自残留氧化铝壁的底层铝的保护,提供了金属的高表面积,并提供了低阻抗。
可根据所产生的电极1的所需结构,通过很多方式控制并组合上述实施例中所讨论的电极层2的各种特性,这些特性不限于图3至图7中所示的实施例。例如,电解质的类型、电解质的浓度和阳极氧化电压的任何一个都可发生改变。可使用退火。使用例如化学浸渍可改变表面化学。下面在描述制造过程的时候,会对控制阳极氧化条件、刻蚀和涂布进行讨论。
图8和图9为完整的生物兼容性CMOS电极的图像。图8示出了具有如图4所示电极层2的电极1。电极1在每个孔的基座上具有变薄的氧化物阻挡层13(产生类似于未改性的非生物兼容性铝垫的阻抗)。图9示出了具有如图6A所示电极层2的电极1。由铂15填充多孔氧化铝(产生比未改性的铝垫更低的阻抗)。
图10示出了包括生物兼容性电极1的示例性微电极阵列的图像。图10所示的阵列包括具有如图6A所示电极层2的电极1。控制垫为没有镀层的多孔氧化铝(垫直径为30μm),且其它垫已被镀铂达1小时或1.5小时。
上述电极1可用于需要使用用于记录或刺激的生物兼容性电极的应用中,其中该电极不会在例如生理介质中腐蚀。此外,所述电极可用于需要与其它电子元件集成以及需要多个电极的应用中。例如,电极1可以是生物传感器或神经接口系统的一部分。许多这样的生物兼容性电极1可合并到多孔板中。这样的多孔板可用于例如HTS中。图11示出了生物传感器的示例性结构。在该实施例中,通过电极2的阵列21周围的玻璃环20确定培养室8。在阵列22和印刷电路板23之间存在电连接22。
使用时,在含有生物兼容性电极1的系统中,通过孔的基座进行导电,例如通过铝10或贵金属15,可能还可通过阻挡层12,如上所述,通过电极1进行记录,反之亦然,通过电极1进行刺激。这使得,例如,记录的电势在诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管栅极的装置上被感应。例如,当用例如培养室8内的相关介质记录神经细胞的动作电位时,形成了神经元-氧化铝连接点,其在细胞膜之下形成了湿电极。例如,有可能存在导电通路,该导电通路通过填充有生理介质的低阻抗氧化铝孔、通过孔基座的阻抗、到达高阻抗晶体管的栅极输入端。
图12示出了位于电极1的电极层2之上的神经细胞24。置于含有培养室8的封装中,培养室8具有置于培养液中的细胞24,且电极1连接至电路25。如图12所示,离子26在电极1的附近移动,并产生由电极1记录的电场或电压。
图13示出了可用作生物传感器的包含生物兼容性电极的系统的又一个实施例。图13a示出了在适当位置具有多电极阵列和培养室8的IC芯片。图13b示出了在阳极氧化之前图13a中的电极阵列的放大部分。图13c示出了在阳极氧化之前的来自图13b的放大的单个电极垫(倾斜的部分)。图13d示出了阳极氧化之后的该电极垫。
图14示出了生物兼容性电极1的示例性制造过程的步骤。制造过程的起点100是完整的集成电路(IC),例如CMOS IC,该IC是利用阀金属或其合金作为其顶部金属层17,通过任何合适的已知方法制造。以下讨论的实施例,将涉及顶部铝层17。
图15中图解地示出了示例性初始金属化的CMOS IC的简化横截面。在这个实施例中,在硅衬底3上,形成一层或多层金属层17。通过层间介质4来绝缘金属层17。通过钝化层7中形成的窗口确定电极区。这是通过与接合焊盘6a相同的后端步骤实现的,且无需额外的处理。在该实施例中的顶部金属层17将被称为铝层18。
图16为图15中标示为c的框区的放大图。在这个实施例中,已经制造了IC,以使铝层和绝缘层4之间没有阻挡层。如果在完整的电极中需要有阻挡层12,如上所述和图4中所示,则可在起点采用具有阻挡层12的合适的完整IC。如技术人员所理解的,阻挡层12可用于避免接触尖锐物体的问题。
防反射涂层19可合并在铝层17之上,如图16所示,在这种情况下,在钝化刻蚀期间可通过已知的方法将所述涂层从电极1和接合焊盘6a区中移除。在制造较小的几何结构时(例如<1.0μm的制造工艺,即为采用光刻法可确定的最小部件为1.0μm的工艺),这可能被用来避免光刻的问题。防反射涂层可阻止发亮的金属表面的反射,否则在暴光期间将会导致光线落入IC的错误位置。
如图17中所示,对IC进行组装110,以使电极层2的表面5能够暴露在电解质中。如上所述,完整的电极1中的IC的电极层2的表面5应该是开放的,以使对感兴趣的细胞的接口能够出现在细胞培养液(悬浮或附着)中。接合焊盘6a和接合线6b必须与电解质绝缘。可提供培养室8以使其既可容纳对电极1进行阳极氧化所需的电解质,又可容纳在体外应用中使用电极1所需的培养液。(见图1)例如,IC可成型于定制的多孔板的基座中。在这种情况下,可将阳极氧化电解质放置在每个孔中。
在进行阳极氧化之前,如图16所示,铝可选择地部分被反刻蚀120,以允许在阳极氧化期间的后续高度增加。该高度增加是由铝的1.28的毕林-彼德沃尔斯比(P-B比,Pilling-Bedworth Ratio)产生的,凭此,得到的氧化铝的厚度比所消耗的铝的厚度要厚。如技术人员所理解的,刻蚀的量可依靠待阳极氧化化的铝的厚度和钝化层7中产生的应力而定。然而,这个步骤对于符合要求的生物兼容性电极操作并非很重要。
使用适当的电解质(例如,4wt%的磷酸)并通过将电极层5连接至阳极氧化偏压、通过有源的CMOS晶体管电路(未示出)或经由在每个电极垫和封装引脚之间的直接连接(未示出)进行阳极氧化130。通过电连接(未示出)使阴极形成在电解质中。阳极氧化产生了如图3至图7所示的多孔层9。通过消耗铝层17进行阳极氧化,例如,消耗铝层的厚度可约为1μm。铝到氧化铝的转换消除了对完成的电极1腐蚀的主要来源。
图3所示的氧化铝层9具有在特定时间后停止阳极氧化而产生的结构。这可在多孔氧化铝9的下面留有薄铝层10,其将继续作为至/自电极1的电连接。
替代方法是在消耗掉全部的铝层的时候允许阳极氧化自发停止(未示出结果)。可通过阳极氧化电流的减小来检测阳极氧化的停止。这样的结果只留有氧化铝阻挡层13。
在这两种方法之间存在一个关键点,其中在一些孔下面的铝已经被消耗掉,但是其他孔下的小面积内仍残留有铝14,如图4所示。在稳态阳极氧化电流开始降落的时候,这是可以被电性检测到的。阳极氧化可在此时结束,以通过保留的薄铝层10来提供良好的至/自电极1的电连续性。这使铝的体积最小化,因此使腐蚀危险最小化,同时保持了良好的电性能。
任何可能会无法通过厚氧化阻挡层13进行传导的或在其下缺乏导电铝10的孔都可随后经由在所有孔的顶部的熔敷金属15而进行电连接,如下所述。当阳极氧化消耗所有的铝直至底层的阻挡层13的时候,层13无需变薄以允许由在变形的氧化阻挡层中存在的缺陷而造成的传导,或通过孔扩大刻蚀140将层13变薄。
同样地,在以高压(约30V以上)进行阳极氧化,并在消耗掉铝18的全部厚度之前停止阳极氧化的时候,绝缘氧化层11将保留在每个孔的基座上,如图3所示。该绝缘氧化层11可通过逐步降低完成阳极氧化的电压或通过使用如图5所示的孔扩大刻蚀140而变薄而减少。可选地,如图6所示,氧化物11可掺杂150贵金属以提高氧化物的导电性,这将在随后的电沉积期间发生。这将在下文作进一步讨论。
孔的尺寸可改变以适应应用。可在10nm和500nm之间(例如特别是在25nm和350nm之间)获得孔间距。通过阳极氧化电压决定孔间距。例如,可分别由10V和140V的阳极氧化电压获得25nm和350nm的间距。孔间距和宽度可影响细胞附着到图4、图5A、图5B、图6B所示电极1的电极表面的能力,这可能会影响所需的孔间距。可能需要小孔间距,因为这使得只有低电压(例如10V)是必需的,如果需要的话,可通过CMOS电路本身来提供电压。
可通过将聚乙二醇(PEG,Polyethylene Glycol)引入电解质(例如10-50wt%)、通过降低电解质水溶液的浓度(例如,通过将磷酸浓度从4%降到0.5%和2%之间)以及通过控制温度,来控制孔径的其它变化。
也可使用孔扩大刻蚀140增加孔径,这已经被用于图5中所示的实施例中。这可以是与如上述相同的刻蚀,以使剩余的氧化层11、13变薄。相同的电解质可用于阳极氧化(例如4wt%的磷酸)。通过控制这些参数,可形成例如狭长孔(图5A)或短宽孔(图5B)。
然后可用贵金属涂布150电极1,如图6所示具有涂层15的实施例。如果采用涂层,可通过电沉积的方式进行,因为使用与阳极氧化类似的装置和IC配置是有利的。例如,可通过使用二硝基硫酸(DNS,Dinitro-Sulphato)铂或P-盐浴(P-salt bath)进行沉积获得韧性铂层。
可选地,可另外覆盖/处理贵金属涂层以提高其性能,如图7示出的附加涂层16。例如,可通过使用氯铂酸(CPA,Chloroplatinic Acid)来沉积“铂黑”(“镀铂”)的附加涂层,以进一步改善了电极/介质界面的导电性。这可通过使用与阳极氧化相同的IC配置来再次进行。可沉积如纳米多孔金等的其它材料来实现类似的目的。
电极设计消除了IC金属化在生理介质(如用于电生理学的培养液和缓冲液以及用于植入式医疗设备的电极1周围的细胞外液)中的腐蚀。
电极为低阻抗,且增强了电极与细胞之间的信号传导。
IC技术具有通过并行、串行或无线通讯进行片上信号处理、数据存储和数据传输的灵活性。在HTS应用中,这些灵活的方法允许数据到板边缘甚至离开板的简单传输。因此IC技术的使用可扩展到大批量应用,如用于药物发现的电极,药物发现需要高通量地筛选大量的化合物。高通量筛选(其是有益的)的例子包括作用于细胞表达的离子通道的化合物的筛选和毒理学筛选。
电极可与其它必要的电子元件集成,因此适用于神经接口系统和其它植入产品。
对于上面所讨论的生物传感器,可通过将电极和电子设备集成到一个衬底上来避免多芯片模块。
制造技术可产生可靠的电极,无需专业的光刻设施。如上所述,是通过将多孔阀金属氧化物(如氧化铝)和电极加装在完整的IC(如CMOS IC)中的方式实现的,其中阳极层生长和底层铝的厚度可被控制。通过使用多孔氧化铝的“自成型”来避免复杂的光刻,且如果使用电沉积的贵金属15,其可在封装加工后通过处理被限制在电极区(即避开焊盘)。
如果多用培养室8装配在IC之上,用于包含刻蚀剂/阳极氧化电解液和随后的神经细胞培养液,则简化了制造工艺。
阳极氧化、可选的孔扩大刻蚀和可选的氧化物阻挡层变薄都可通过使用相同的磷酸电解质来进行(如果要进行的话,也可使用可选的预阳极氧化刻蚀)。所述步骤可通过电压和温度进行区别。例如,在无需电偏压且在温度高于阳极氧化的温度的条件下,进行预阳极氧化刻蚀。这种处理技术最大限度地减少了生产成本,从而有助于电极1在低成本应用中的适用性。
相同的培养室和电解浴电极可用于多孔氧化铝的形成步骤和电沉积步骤。这简化了生产工艺。
浴电极(或“参比电极”)可与用于阳极氧化的阴极相同,或者,通过与记录/刺激生物兼容性电极1相同的制造步骤可将浴电极合并在IC本身上;除此之外,参比电极连接至所需的浴电势(通常接地)而不是例如放大器/驱动器。如果这样的片上参比电极要用于阳极氧化制造步骤,则该电极也必须单独地进行阳极化处理,因为它不能被同时既用作阴极又同时经阳极氧化处理。
电极1的衬底3和可选的绝缘层4可为带有电极层2的任何合适的已知IC的零件,其中电极层2是含有铝或其合金(如Al-Si、Al-Cu、Al-Si-Cu、Al-Ti)的已知的IC金属化层的变形。或者,可使用任何其它的阀金属,如钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、铪(Hf)、铌(Nb)、锆(Zr),或其合金。这些金属能够通过阳极氧化产生多孔氧化层。在本发明中任何讨论铝和氧化铝的地方,它们都可分别被阀金属和阀金属氧化物替代。
可能还会存在符合CMOS IC标准的金属化层17和绝缘层4,如图12所示。可能会存在直接位于电极层2下面的通路,即为一层金属镀层和其它层之间的桥接。在这种情况下,在处理前的初始IC中,位于顶部金属化堆栈17下面的通路,代替了直接位于顶部金属化层17的电介质4。如技术人员已知的,通路的精确性质可能发生改变,但是总是包括某种形式的导体。此外,通路自身可包括单层的如钨或多晶硅,或包括数层的如Ti、Ta、TaN、Ta-SiN的阻挡层及之后的铜。通路也可以为金属堆栈,例如Ti/Al/TiN,其与在移除防反射涂层(ARC,Anti Reflective Coating)19和处理顶部金属化层以成为电极层2之前的防反射涂层19/顶部金属化层17/阻挡层12的层组合类似。
如上所述,例如当IC只有一层金属化层17时,则可能不存在绝缘层4,电极1的布局设计使原始IC的金属化顶层17与衬底(例如可能是硅)接触。
任何合适的IC技术和任何合适的完整的传统IC都可用作制造工艺的起点。例如,作为上面提到的CMOS的替代方案,可使用n型金属氧化物半导体场效应晶体管技术(NMOS)。
电极封装装配可包括任何合适的已知封装。例如,其可以是带有模制开放腔的塑料封装(例如美国Quik-Pak(IC封装装配服务供应商)完成的“部分封装”)、具有开放腔和使用树脂进行绝缘的焊线的带引脚的陶瓷载体或无引脚的陶瓷载体;或者,可将IC成型于定制的多孔板的基座中,以给出一些实施例。所述封装可像具有培养室8一样的任何合适的容器,其在应用中用于容纳培养液,优选地其在制造过程中用于容纳电解质,与之后在使用期间用于容纳培养液的容器一样。
尽可能使用塑料封装、接合线6b、培养室8,并封装入多孔板的基座中的技术,将会把IC合并到如技术人员已知的其它形式的封装中。例如,可使用“倒装芯片”技术代替焊线,其在多孔板的设计中特别有用。
可依靠特定的电极1的设计,以任何合适的方式进行电连接。如果连接是通过,例如氧化铝层9实现的,则孔的基座上的阻抗必须足够低以允许连接。例如,任何残留的铝10、14或阻挡层12可允许通过该路径的电连接。如上所讨论的,孔变薄可以通过这种方式实现电连接,且使经由贵金属涂层15的连接更加成为可能。
可使用任何合适的贵金属涂层15和附加涂层16。
生物兼容性电极1可用于筛选任何合适的贴壁细胞,包括刺激和记录此类细胞。可直接在培养室8中培养细胞,细胞可直接与电极1接触。开始时细胞通常为球形并是移动的,然后附着到芯片表面并经过一段时间后平贴在电极1上。这个过程可能会在几分钟内开始,但是体外的完全附着和最佳记录可能需要一天多。或者,可在测试/检测/记录阶段引入细胞。
合适的细胞类型的实施例包括心肌细胞、神经元和骨骼肌细胞。其他可能的细胞类型可以包括少突胶质前体细胞(oligodendrocyte precursor glia)亚群。动物和人类的电可兴奋的传代细胞系都是可适用的,例如,NG108-15,B50,LA-N-5和PC12。
此外,任何可使细胞与电极1接触的适用的方法都可以采用,例如,组织切片的刺激或记录。生物兼容性电极1可用于任何使用电极来刺激或记录细胞的应用,包括例如用兴奋剂刺激细胞时,对电活动中的变化进行的测量。
生物兼容性电极1的阵列21可由单芯片形成,其可连接至例如获得和显示细胞活性的三维读数工具。如果多个电极安装在孔中,则该系统可连接至获得和显示所有孔中的细胞活性的三维读数工具。也可测量孔中的空间活动。例如,一个孔中的多个电极可用于获取在那个孔中被同时刺激的多个神经元的信息,且也可将该孔与其它孔进行对比。
生物兼容性电极1可连接至输出设备,如计算机,其可通过例如在计算机(PC)屏幕上以信息阵列显示的细胞应答数据来操纵例如获取的刺激/应答数据。“输出设备”的另一种替代方案是在IC本身中包含部分逻辑操作。例如,电极阵列周围的IC逻辑操作可处理细胞应答数据(例如动作电位强度、频率、形状)并仅将总结信息(例如合格/不合格对程序限制)传输至例如远离IC的PC。
生物兼容性电极1可用于记录/刺激任何可兴奋细胞和/或表达离子通道的细胞。任何可兴奋贴壁细胞,即能够附着到电极上的细胞均可适用。例如,可从其中记录激活动作电位的细胞。可筛选直接改变动作电位的化合物和最终改变细胞兴奋性的受体。如果离子通道涉及动作电位产生或动作电位调节,则可筛选能够调节离子通道活性的化合物。
一般来说,生物兼容性电极1可配置用于操纵细胞。生物兼容性电极1可用于建立能够引起粒子(通常为细胞)运动的电场。这些粒子移动以应答电信号。这是电泳现象。更具体地说,电极1可用于将细胞移动到特定的位置,如上述记录/刺激电极1,经常使用特定形式的电泳(称为“负介电泳(Negative-DEP或N-DEP)”)。由于细胞差异地响应电场并移向正电场或负电场,这可用于,例如分类癌细胞(在这种情况下,这也可构成对癌细胞的存在进行诊断或测试)或其它病变细胞,或分离不同的细胞类型,例如用于再生医学的目的(其可期望对模拟组织模仿不同细胞类型)。
电极1可用于测量电容,通常被称为电子细胞基质阻抗判断(ECIS,ElectricCell-Substrate Impedance Sensing)。例如,ECIS可用于区分细胞类型,以及正常细胞和病变细胞之间的差异。
电极1可用于其它应用中,并不限于基于细胞的应用,且包括非记录应用,例如通过将电极1应用到迁移细胞或其它生物微粒(例如蛋白质)中来实现的“细胞分选”或其它诊断应用。
电极1也可用于毒理学应用,例如,在筛选人类果蝇相关基因(hERG,Human Ether-a-go-go-Related Gene)通道中。可进行细胞的高通量筛选,其中电生理应答为毒性指标。例如,可筛选化合物以确定它们是否会引起心肌细胞中动作电位的改性。由此可确定这些化合物是否会影响心脏中的钙信号传导,并引起例如心脏中毒。