CN103663342B

CN103663342B - 共布线微电极阵列芯片及其制备方法

Info

Publication number: CN103663342B
Application number: CN201310573699.6A
Authority: CN
Inventors: 李海华; 王庆康
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: CN103663342A

Abstract

本发明公开了一种共布线微电极阵列芯片及其制备方法；该微电极阵列芯片的微电极阵列结构层包括以光栅阵列结构排布的若干微电极以及叠加在所述光栅阵列上的呈点状阵列结构排布的若干微电极。本发明的芯片利用共布线原理和光刻套刻技术，采用具有光栅阵列结构的第一掩模板、具有点状阵列结构的第二掩模板，通过金属沉积工艺、离子束刻蚀技术、湿法刻蚀工艺等制备而得。本发明实现了将多种不同微电极阵列集于一芯片上，充分利用了生物芯片的效率，降低了成本，能够满足不同细胞、不同用途的生物检测和记录；由于电极的引线布局与商用微电极芯片的完全一致，还使得其在检测时具有良好的兼容性和通用性，是一种可标准化和批量化生产的电极阵列芯片。

Description

共布线微电极阵列芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及细胞微电极阵列芯片及其制备方法；具体涉及一种共布线微电极阵列芯片及其制备方法。

背景技术

微电极是在20世纪30、40年代发展起来的。微电极的发现，迅速地为可兴奋组织的显微生理学研究奠定了基础((1)ThomasCA,SpringerPA,LoebGE,Berwald-NetterY,OkunLM.1972.Aminiaturemicroelectrodearraytomonitorthebioelectricactivityofculturedcells.ExpCellRes.74:61-66；(2)BovenK-H,FejtlM,A,NischW,StettA.OnMicro-ElectrodeArrayRevival.In:BaudryM,TaketaniM,eds.AdvancesinNetworkElectrophysiologyUsingMulti-ElectrodeArrays.NewYork:SpringerPress；2006:24-37)。显微生理学不仅有可能研究高等动物器官深部的最小细胞的活动，而且能研究这些细胞的各个部分的活动。经典的细胞电生理记录方法的缺点是难以实现长时程测量，也难以实现对细胞网络的多位点同时测量。近年来，随着胞外电生理研究的不断深入和半导体微机械加工技术的发展，传感器件的微型化和集成化为细胞的微环境测试和电生理研究提供了强有力的手段。采用先进的微电子集成电路制造技术，以半导体硅、玻璃为基底材料的多记录点微电极阵列技术迅速发展，产品的成功率和重复性问题得到了较好的解决。这种电极具有体积小、记录点多、结构形式多样化、性能稳定可靠等特点。((3)ShahafG,MaromS.2001.Learninginnetworksofcorticalneurons.JNeurosci.21,8782-8788；(4)StegengaJ,LeFeberJ,MaraniE,RuttenWL.2009.Theeffectoflearningonbursting.IEEETransBiomedEng.56,1220-1227.)例如，电极可以在二维、甚至三维脑区中同时检测多达上百个记录点的场电位和神经细胞的Unit电位。这些微电极阵列通常根据特定的适用对象，设计一种结构，采用MEMS技术，制备出电极阵列芯片。当细胞的大小、种类改变时，该芯片不再适用，只能重新制作,导致成本增高、效率降低、资源浪费。

本发明提出一种共布线微电极的设计与制备方法。首先设计一基本掩模板(第一掩模板),作为微电极阵列芯片的母模板,在此基础上,再设计一款不同排列方式的点阵结构掩模板(第二掩模板)；利用光刻套刻技术，通过离子束刻蚀技术、湿法腐蚀技术、金属沉积等工艺，获得多种排列方式、多种间距距离的微电极阵列结构，可用于不同体积、多种细胞、多数据采集点的记录和测量等。

发明内容

本发明针对上述现有技术中细胞检测中所用电极，设计结构简单、用途单一等不足，提供一种共布线微电极阵列芯片及其制备方法。本发明的电极阵列芯片是一种微机械加工技术(MEMS)的微电极阵列芯片，是一种结构新颖、简单实用、操作方便、灵敏度高、可用于多种检测对象的电极阵列芯片；该电极阵列可标准化和批量化生产，可对大量不同体积细胞进行多项生物活性指标连续快速分析，试样和试剂消耗量小，操作简单易行。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种共布线微电极阵列芯片，包括绝缘基底、微电极阵列结构层、对电极、参比电极、引线及触点，所述微电极阵列结构层包括以光栅阵列结构排布的若干微电极以及叠加在所述光栅阵列上的呈点状阵列结构排布的若干微电极。

优选地，所述光栅阵列结构微电极的线宽为10μm，间距为30μm，长度为1000～3000μm。

优选地，所述点状阵列结构微电极之间的纵向间距为30μm的n倍，n可为1～14中任一整数，横向间距为0～3000μm。

本发明还涉及一种上述的共布线微电极阵列芯片的制备方法，所述方法包括如下步骤：

A、在绝缘基底上沉积一层金属膜，采用具有光栅阵列结构的第一掩模板，利用光刻技术，所需光刻胶图形；

B、利用光刻胶作为掩模，采用离子束刻蚀技术，开出金属层窗口；去除光刻胶，获得光栅电极阵列芯片；

C、在所述光栅电极阵列芯片上沉积SiO₂薄膜；采用具有点状阵列结构的第二掩模板，利用光刻套刻技术，获得所需光刻胶图形；

D、利用光刻胶作为掩模，采用湿法刻蚀SiO₂，露出金属层；去除光刻胶，即得所述共布线微电极阵列芯片。

优选地，步骤A中，所述绝缘基底为石英玻璃。

优选地，步骤A中，所述沉积金属为Pt，所述金属膜的厚度为200nm～300nm。

优选地，步骤A中，所述第一掩模板上光栅阵列的线宽为10μm，间距为30μm。光刻技术使用普通光刻设备，紫外光作为曝光波长，曝光方式采用接触式曝光。

优选地，步骤B中，所述离子束刻蚀的刻蚀时间为2～6分钟，屏栅束流为30mA，固定电压为500V。

优选地，步骤C中，所述SiO₂薄膜的厚度为30nm～300nm。

优选地，步骤C中，所述第二掩模板上点状阵列的纵向间距为30μm的n倍，n为1～14中任一整数，横向间距为0～3000μm。光刻套刻时使用普通光刻设备，紫外光作为曝光波长，曝光方式采用接触式曝光。

优选地，步骤D中，所述湿法刻蚀SiO₂采用的刻蚀液为，每100ml的刻蚀液中，氢氟酸为5～10ml，氟化氨为5克～20克，余量为水。

优选地，所述共布线微电极阵列芯片选用的引线为Pt引线。

本发明与现有技术相比具有以下优点:

1)本发明采用微机械加工技术，利用共布线原理和光刻的套刻技术，可方便制备出多种排列方式的电极，使设计的电极芯片，能够满足不同细胞、不同用途的生物检测和记录等；将多种不同微电极阵列集于一芯片上，充分利用了生物芯片的效率，降低了成本，而且电极的引线布局与商用微电极芯片的完全一致，便于本发明芯片在用于检测时，兼容性和通用性。

2)本发明提供一种结构新颖、简单实用、操作方便、灵敏度高、可用于多种检测对象、实时检测的电极阵列芯片；该电极阵列可标准化和批量化生产，可对大量不同体积细胞进行多项生物活性指标连续快速分析，试样和试剂消耗量小，操作简单易行。

3)从制备工艺上，电极材料与引线材料的一致，使得导电性优异、抗氧化能力强；石英基底层选用透光度高的石英玻璃，其厚度在1mm，为芯片提供了较好的支撑；电极做得比较薄，保证基底的光滑。本芯片材料具有良好的生物相容性及抗腐蚀性能，这保证了芯片的可靠性，也提高了细胞检测的安全性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为第一掩模板中的光栅阵列结构示意图；

图2为第一掩模板的微电极结构示意图；

图3为第二掩模板的微电极阵列结构示意图，其中，a)、b)、c)分别为不同排列，不同间距的阵列结构；

图4为第一掩模板和第二掩模板套刻时的微电极阵列结构示意图；

其中，1为电极阵列，2为电极引线连接处，3为对准线，4为焊接点，5为点阵微电极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例涉及一种共布线微电极阵列芯片，其结构如图4所示，该芯片上的所述微电极阵列结构层包括以光栅阵列结构排布的若干微电极1以及叠加在所述光栅阵列上的呈点状阵列结构排布的若干微电极5。

本实施例的共布线微电极阵列芯片采取了一种新的结构设计和工艺，具体为：设计一具有光栅阵列结构的第一掩模板，和一定排列方式的点阵阵列结构的第二掩模板；在玻璃基底上沉积一层金属，采用第一掩模板，利用光刻技术，制备出所需光刻胶结构的光栅阵列电极；利用光刻胶和金属的掩模，采用离子束刻蚀技术，开出金属窗口，获得光栅电极阵列芯片；再依次在该芯片上沉积SiO₂薄膜；采用第二掩模板，利用光刻套刻技术，获得电极阵列芯片结构。本发明由于采用微制造技术的套刻技术，可以制备灵活多变的多种电极结构，适用于多种细胞结构的数据采集点的记录和测量等。

其中，共布线微电极阵列芯片的设计、材料的选取与制备上的关键点如下：

1)制备掩模板，设计有电极阵列的光栅的掩模板。掩模板要精确设计的电极尺寸的大小和电极间距。合适的电极大小，可以使细胞覆盖在暴露的电极上，形成较好地耦合，需要兼顾空间分辨率和电极阻抗及噪声的大小。电极间距设计的原则是既能检测细胞网络的兴奋情况，又不对周围的细胞产生干扰信号。由于一般细胞的大小约为十-几百μm长，宽为十-几百μm，电极圆孔直径一般为10μm左右。所以光栅阵列的线宽为10μm，间距为30μm。

2)沉积金属电极，优良的电极材料主要包括Au、Ir和Pt等。这三种金属的优点是生物相容性好，且较难被电化学腐蚀。用Au作为电极材料时，但当电极上所加电压远大于电极在溶液中的平衡电位时，将产生气泡等电化学反应。Ir和Pt的物化性质非常稳定，交换电流密度J₀比较大(由金属物化特性决定)，当产生过电位时，电极仍能保持较稳定状态。Pt的生物兼容性很好，故本电极采用磁控溅射方法沉积金属Pt。

3)微电极芯片基底的选择

通常选择的基底材料有硅、玻璃和塑料(如聚苯乙烯)等。相比硅和塑料等而言，玻璃具有较好的耐热性、透明性、低成本、易于消毒及适宜的表面电荷以促进细胞贴附。另外，由于玻璃具有透明性，观察细胞可以用传统的显微镜进行，无需使用倒置显微镜；玻璃基底能有效降低寄生电容以及光干扰(不具有光传导性)，由于玻璃的耐热性，适于使用PECVD等较高温工艺，同时也可被用于集成IC电路设计，所以玻璃是良好的基底材料，是细胞传感器尤其是MEA阵列的首选材料。本发明芯片基底选用玻璃。

4)微电极芯片引线材料的选择

电极的连接线可以通过典型的溅射或蒸镀工艺进行制作。连线可以选择Al、Cu和多晶硅等。由于电极材料采用Pt，为避免采用热膨胀系数不同的金属，在加工过程中由于所受应力不同而引起接触点虚接，造成断路等问题；与电极材料一致是保证电极连线具有低阻抗、物化性质稳定、生物相容性佳等优点，同时，保证了制备工艺简单、一体化。所以电极材料选用Pt。

在确定了合理的结构设计和工艺后，本实施例的共布线微电极阵列芯片的制备包括如下具体步骤：

1、采用玻璃基板作为本发明所用的基底，在该玻璃基底上沉积一层金属膜作为实验用的电极层；沉积金属为Pt,厚度为200nm(该厚度可选自200nm～300nm)。

2、采用图2所示的第一掩模板，采用接触式紫外曝光的光刻技术在玻璃基底上获得所需光刻胶图形；其中，1为电极阵列，电极直径为15μm，间距为30μm，微电极阵列区域长度为3000μm(可为选自1000μm～3000μm中的任意值)；焊接点4的大小3mm×3mm，间距为300μm。

3、利用光刻胶作为掩模，采用离子束刻蚀技术，开出金属层Pt的窗口；离子束刻蚀技术参数为：屏栅束流为30mA，固定电压为500V，刻蚀时间为4分钟(可为2～6分钟)，旋转角度为30～60度。

4、用丙酮去除光刻胶，然后依次用酒精、去离子水清洗基片表面。

5、采用磁控溅射方法沉积一层SiO₂薄膜，SiO₂薄膜的厚度为200nm(可为选自30nm～300nm中的任意值)。

6、采用图3(a)所示的第二掩模板，利用接触式紫外曝光的光刻技术进行光刻套刻，在玻璃基底上获得所需光刻胶图形。第二掩模板所示的点状阵列结构的排列方式，点阵微电极5的纵向间距满足30μm的n倍，n满足1，2，……,14，横向间距可为在0～3000μm范围内，根据需要的任意距离。也可采用图3(b)或图3(c)所示的图形。套刻时，图3所示的点阵要与图1所示的光栅结构(图1中，1为电极阵列,线宽为10μm，间距为30μm，长度为1000μm～3000μm；2为电极引线连接处；3为对准线；焊接点的大小2mm×2mm，间距为1mm)对准。采用接触式紫外曝光的光刻技术在玻璃基底上获得所需光刻胶图形；得到的微电极阵列结构如图4所示。

7、利用光刻胶作为掩模，采用湿法刻蚀SiO₂，露出金属层；刻蚀SiO₂的溶液为氢氟酸和氟化氨的混合溶液；溶液的成分配比为：每100ml的刻蚀液中，氢氟酸为5ml(可为5～10ml中任意值)，氟化氨为10克(可为5克～20克中任意值)，余量为水。

8、去除光刻胶，清洗表面(与所述的步骤4相同)；即得本实施例的共布线微电极阵列芯片。

本发明涉及的是一种微电极阵列芯片及其制备方法,该阵列可用于生物芯片对生物活性物质(包括细胞及微小组织等)的电位、兴奋性等方面进行准确、大信息量的检测。发明的微电极阵列芯片，可根据检测对象大小(十-几百微米)的不同，用于多种检测指标，例如：研究心肌细胞、急性心脏切片或离体心脏的起搏特性和电兴奋传导特性；将组织切片置于微电极阵列生物芯片培养一定时间，以研究神经组织的生长情况；将神经组织切片如海马置于微电极阵列生物芯片进行LTP等的研究；视网膜置于微电极阵列生物芯片，给与视觉刺激,同时记录microERG；将神经组织切片或细胞培养于微电极阵列生物芯片，长时间记录细胞的自发脑电活动，开展生物节律研究；以分子水平和细胞水平的实验方法为基础，以芯片形式作为实验工具载体，以自化操作系统执行实验过程，进行高通量药物筛选；观察药物对中枢神经系统、心血管系统和呼吸系统的影响。例如利用MEAs针对心率失常的病理生理学进行研究。

综上所述，本发明的共布线微电极阵列芯片利用共布线原理和光刻的套刻技术，可方便制备出多种排列方式的电极，使设计的电极芯片，能够满足不同细胞、不同用途的生物检测和记录等；本发明实现了将多种不同微电极阵列集于一芯片上，充分利用了生物芯片的效率，降低了成本，而且电极的引线布局与商用微电极芯片的完全一致，便于本发明芯片在用于检测时，具有良好的兼容性和通用性。因此，本发明的共布线微电极阵列芯片是一种可标准化和批量化生产的结构新颖、简单实用、操作方便、灵敏度高、可用于多种检测对象、实时检测的电极阵列芯片，具备良好的市场应用前景。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种共布线微电极阵列芯片，包括绝缘基底、微电极阵列结构层、对电极、参比电极、引线及触点，其特征在于，所述微电极阵列结构层包括以光栅阵列结构排布的若干微电极以及叠加在所述光栅阵列上的呈点状阵列结构排布的若干微电极。

2.如权利要求1所述的共布线微电极阵列芯片，其特征在于，所述光栅阵列结构微电极的线宽为10μm，间距为30μm，长度为1000～3000μm。

3.如权利要求2所述的共布线微电极阵列芯片，其特征在于，所述点状阵列结构微电极之间的纵向间距为30μm的n倍，n为1～14中任一整数，横向间距为0～3000μm。

4.一种如权利要求1所述的共布线微电极阵列芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

A、在绝缘基底上沉积一层金属膜，采用具有光栅阵列结构的第一掩模板，利用光刻技术，获得所需光刻胶图形；

B、利用光刻胶作为掩模，采用离子束刻蚀技术，开出金属膜层窗口；去除光刻胶，获得光栅电极阵列芯片；

5.如权利要求4所述的共布线微电极阵列芯片的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述绝缘基底为石英玻璃。

6.如权利要求4所述的共布线微电极阵列芯片的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述沉积金属为Pt，所述金属膜的厚度为200nm～300nm。

7.如权利要求4所述的共布线微电极阵列芯片的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述第一掩模板上光栅阵列的线宽为10μm，间距为30μm。

8.如权利要求4所述的共布线微电极阵列芯片的制备方法，其特征在于，步骤B中，所述离子束刻蚀的刻蚀时间为2～6分钟，屏栅束流为30mA，固定电压为500V。

9.如权利要求4所述的共布线微电极阵列芯片的制备方法，其特征在于，步骤C中，所述SiO₂薄膜的厚度为30nm～300nm。

10.如权利要求4所述的共布线微电极阵列芯片的制备方法，其特征在于，步骤C中，所述第二掩模板上点状阵列的纵向间距为30μm的n倍，n为1～14中任一整数，横向间距为0～3000μm。

11.如权利要求4所述的共布线微电极阵列芯片的制备方法，其特征在于，步骤D中，所述湿法刻蚀SiO₂采用的刻蚀液为，每100ml的刻蚀液中，氢氟酸为5～10ml，氟化氨为5克～20克，余量为水。

12.如权利要求4所述的共布线微电极阵列芯片的制备方法，其特征在于，所述共布线微电极阵列芯片选用的引线为Pt引线。