CN102495121B - 微电极阵列传感器 - Google Patents

Abstract

一种微电极阵列传感器，包括：一衬底，该衬底上面的两侧分别有一第一反型区和第二反型区；一源极，制作在第一反型区内，该源极有一引出导线；一输出极，制作在第二反型区内，该输出极有一引出导线；一栅氧层，该栅氧层制作在衬底的表面，并暴露出源极和输出极；多组电极功能区，制作在栅氧层上，源极和输出极之间，该多组电极功能区均有引出导线；一绝缘层，该绝缘层覆盖于栅氧层及多组电极功能区的表面。

Description

微电极阵列传感器

技术领域

本发明涉及分布电势场传感和生物电生理检测领域，特别涉及一种微电极阵列传感器。

背景技术

微电极阵列传感器广泛应用在分布电势场传感和生物电生理检测领域中，特别是应用在神经电生理学研究中记录神经电信号。微电极阵列传感器的工作原理为：溶液中的离子与电极中的电子在微电极界面上存在电场耦合，微电极附近的电势场因此能够被探测并传输到外部电路完成信号记录。现有的微电极阵列传感器的典型结构参见图1。在绝缘衬底上排布多组微电极，每个微电极由导线引出，其上覆盖绝缘层，仅暴露出微电极和导线的焊盘。这样的微电极阵列传感器每个微电极需要配置单独的引出导线，占有不可复用的器件空间。

现有技术生产的微电极阵列在通道数的提高上具有瓶颈。因为平面工艺限制了每个微电极及其导电通路能够占用的面积，增加通道数就意味着减小分配给每个微电极的面积和电极的间距，而这样做的结果是传输信号的衰减和信道间的串扰增加。以国际市场上的几家高端微电极阵列生产商为例，它们生产的主流微电极阵列通道数分别为：60道(MultiChannelSystem ltd.)，64道(Med64Panasonic ltd.，Plexon ltd.)。其高端阵列通道数为：256道(MultiChannel System)。神经科学研究的发展对记录器件提出更高的要求，需要尽可能多的通道数。以视网膜神经信号研究为例，“实验显示，神经细胞以合唱的方式而非独立源的形式处理信息……需要更高通道密度的微电极阵。”(K.Mathieson，2003)。现有技术如果用于制造512通道的微电极阵列，单个通道线宽仅1微米(K.Mathieson，2004)，常规光刻工艺难以保证质量，需要采用昂贵的电子束曝光工艺。即使这样以高昂的成本制造的阵列，信号衰减和串扰问题也难以解决。现有的微电极阵列技术遭遇到瓶颈，急需新技术进入。

半导体势陷传递电荷包技术产生于上世纪70年代(Boyle and Smith，1970)，这里简述该技术如下。分立的金属电极上施加以电压(V＞Vt，Vt：耗尽区生成的阀值电压)，在半导体界面附近造成耗尽区。该区对于半导体的少子而言是低能态的势陷，少子倾向于进入该区。该区在热电流和半导体缺陷影响下会逐渐向平衡状态转化，势陷的维持时间决定了电荷包能够储存的时间。施加周期低于该时间的交替电压，能够在传输电极之间传递少子组成的电荷包，将前端信息传输到终端。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种微电极阵列传感器，不同于现有微电极阵列以导线传输电信号的方式，代之以分立的电荷势陷传输电荷包的技术，使单个传感器芯片上能够集成更多的微电极。信号以离散的电荷包形式在传输极间传递，不仅可以多通道同步传输，而且单个通道内也可以同时传输多个电荷包。相比传统技术，在同样的芯片面积里能够增加几个数量级的微电极141数量和信息传输密度。

本发明提供一种微电极阵列传感器，包括：

一衬底，该衬底上面的两侧分别有一第一反型区和第二反型区；

一源极，制作在第一反型区内，该源极有一引出导线；

一输出极，制作在第二反型区内，该输出极有一引出导线；

一栅氧层，该栅氧层制作在衬底的表面，并暴露出源极和输出极；

多组电极功能区，制作在栅氧层上，源极和输出极之间，该多组电极功能区均有引出导线；

一绝缘层，该绝缘层覆盖于栅氧层及多组电极功能区的表面。

本发明的有益效果是：电势场信号传感和电荷包传输。源极11、衬底10、微电极14和传输极142共同组成场效应器件。电势场信号通过调制场效应器件控制进入传输极142的电荷包中少子的数量，如此将信息离散化并耦合进传输极142、143、144，输出至器件的读出电路。场效应器件使用固有电荷增强或者外加电压偏置，在没有电势场信号输入时，仍保持有固定数量的少子进入电荷包，维持传感正负电势场所需的动态范围。偏置电流会带来额外的背景噪音，主要成分为散粒噪音(可以采用双电极，零偏置解决)。偏置电流在很小pA量级，产生的噪音并不明显降低阵列的信噪比。

电荷包读出器件。传输极144和输出极12组成一个受控电压偏置的PN节，在读出周期内正向偏置，将电荷包传递至外部读出电路。另外还可以在终端增加复位器件，是已有的技术，不做详述。

扫描频率。神经电信号的频域分布在10-10KHz范围，因此离散化的采样周期小于50微秒，该扫描频率和周期在现有半导体工艺水平内。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1为现有技术的微电极阵列的结构示意图；

图2为本发明的微电极阵列的结构示意图；

图3为应用本发明一实施例的示意图。

具体实施方式

请参阅图2所示，本发明提供一种微电极阵列传感器，包括：

一衬底10，该衬底10的材料为P型硅或三五族P型半导体，该衬底10的上面的两侧分别有一第一反型区101和第二反型区102。

一源极11，制作在第一反型区101内，材料为N型硅或三五族N型半导体，该源极11有一引出导线；在P型衬底10上注入形成第一反型区101，溅射覆盖金属层并刻蚀出引出导线，高温退火。

一输出极12，制作在第二反型区102内，材料为N型硅或三五族N型半导体，该输出极12有一引出导线。在P型衬底10上注入形成第二反型区102，溅射覆盖金属层并刻蚀出引出导线，高温退火。输出极12是一个偏置受控的PN节，经导线连至芯片上集成的运算放大器，将电荷量转化为电压信号，并放大，以低阻方式输出。

一栅氧层13，该栅氧层13制作在衬底10的表面，材料为二氧化硅或氮化硅，并暴露出源极11和输出极12。化学气相沉积形成栅氧层13，反应等离子刻蚀暴露出源极11和输出极12。

多组电极功能区14，制作在栅氧层13上，源极11和输出极12之间，多组电极功能区14的反复出现的数量为100-10000。每一组电极功能区14包括，一微电极141和三个传输极142、143、144，并排制作在栅氧层13上，材料为金、铂、银、铜、铝或氧化铟锡，除微电极141外均有引出导线。微电极141位置的电势场信号调制源极11到传输极142之间的电流，对微弱的电势场信号有初步的放大作用。该部分将连续和微弱的电势场信号放大并转化为离散的电荷包。电荷包聚集在传输极142下，在时钟周期的方波电压控制下移动至下一个传输极143，然后是传输极144，如此反复，通过n组传输极142n、143n、144n接力，将电荷包送至输出极12。

微电极141材料为金、铂、银、铜、铝或氧化铟锡。可以选择在微电极141表面附着镀层，材料为碳纳米管、铂黑、氧化铱、氮化钛、氯化银、聚吡咯或聚乙撑二氧噻吩。镀层可以增加微电极141的传感灵敏度、线性区间；可以降低电极阻抗、本底噪音。可以选择在微电极141表面修饰化学物质，材料为葡萄糖氧化酶、赖氨酸氧化酶或离子选择性透过膜。修饰层对特定物质敏感，微电极阵列传感器借此特异性可以探测出特定物质的浓度和电流密度。

一绝缘层15，该绝缘层15覆盖于栅氧层13及多组电极功能区14表面。材料为二氧化硅或氮化硅。

参阅图3的发明实施例，并结合采用图2，该微电极阵列传感器用于探测神经细胞动作电势场。微电极阵列传感器上装配环形的细胞培养皿，其中盛放细胞培养溶液，其中的温度、氧气、二氧化碳等通过外部系统(例如细胞培养箱)进行控制，维持神经细胞所需的生理指标。培养的神经细胞覆盖在微电极141表面，与微电极粘附耦合在一起。活的神经细胞自发进行相互间信息传递和处理，产生的神经电活动形成局部场电势，电势的变化影响对应位置的源极11流向传输极142的电流，继而在固定的扫描周期内形成电荷数量不一的电荷包。电荷量反映局部场电势的变化。电荷量经过传输、转换和放大，得到对研究者有用的电压变化时间曲线。

现有微电极阵列传感器(图1)需要等于微电极数量的引出导线，集成10000个微电极，相应的需要10000条引出导线，而本发明采用离散的电荷包并行传输技术，可以有效地减少引出导线数量。下面以一集成10000组微电极的实施例来说明。该微电极阵列传感器有10000组微电极141，不需要引出导线；10000组源极11电气连接在一起，因此仅需要1条引出导线；10000组传输极142、143和144仅需要3条引出导线。每个传输极12可以串行传输100通道数据，需要100个传输极12。总计10000组微电极仅需要104条引出导线。引出导线数量仅为现有微电极阵列的1.04％，增加了传感器的微电极数量和有效传感区域。

本发明可以应用在需要探测电势场的空间和时间分布的领域，例如生物体场电势(脑电图、肌电图)、水体场电势分布、溶液电势分布(溶胶离子分布)等。这里的具体应用例子为，探测体外培养的神经细胞的动作电位场分布。该技术可以被用来检测药物对神经的作用、研究神经网络机理研究、构建体外生物计算机等很多方面。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的的限制，凡是依据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (1)

1.一种微电极阵列传感器，包括：

一衬底，该衬底上面的两侧分别有一第一反型区和第二反型区，该衬底的材料为P型硅；

一源极，制作在第一反型区内，该源极有一引出导线；

一输出极，制作在第二反型区内，该输出极有一引出导线；

该源极和输出极的材料为N型硅；

一栅氧层，该栅氧层制作在衬底的表面，并暴露出源极和输出极；

多组电极功能区，制作在栅氧层上，源极和输出极之间，该多组电极功能区均有引出导线，该多组电极功能区的数量为100-10000，每一组电极功能区所包括的一微电极和三个传输极被并排制作在栅氧层上，电极功能区的各个传输极均有引出导线，微电极无引出导线，电极功能区的微电极和传输电极的材料为金、铂、银、铜、铝或氧化铟锡；该栅氧层的材料为二氧化硅或氮化硅；

一绝缘层，该绝缘层覆盖于栅氧层及多组电极功能区的表面，并暴露出微电极。

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