CN117210324A - 一种实现多物理场刺激与电信号记录的芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种实现多物理场刺激与电信号记录的芯片及其制备方法，可以用于柔性电子、细胞组培技术领域。该方法包括包覆层；设置于包覆层内的第一外环区、第二外环区和中心区；其中，第一外环区包括设置有圆形电极的环形线路、环形线路的第一端和第二端连接外部装置，以便第一外环区产生磁场信号；第二外环区包括相对于中心区对称设置的第一弧形回路和第二弧形回路；中心区包括压电陶瓷线路、发光二极管线路和微电极阵列；压电陶瓷线路连接外部装置并产生声场信号，发光二极管线路连接外部装置并产生光场信号，微电极阵列连接外部装置并接收电信号，电信号为根据磁场信号、电场信号、声场信号和光场信号产生的。

Description

一种实现多物理场刺激与电信号记录的芯片及其制备方法

技术领域

本公开涉及柔性电子、细胞组培技术领域，尤其涉及一种实现多物理场刺激与电信号记录的芯片及其制备方法。

背景技术

人体是典型的开放性复杂系统，从分子、细胞、组织、器官到系统，由多层次要素整合而成，通过物质、能量和信息的有序流动实现各种功能。人体器官芯片是近几年快速发展起来的一门前沿科学技术，是一种在芯片上构建的器官生理微系统，它以微流控芯片为核心，可以在体外模拟构建包含有多种活体细胞的组织器官微环境，反映人体组织器官的主要结构和功能特征，器官芯片的出现为细胞组织培养、病理学研究提供了一个新型的培养平台。然而，目前针对器官芯片互联互作以及细胞组培研究中，物理场刺激因素主要为电信号。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种实现多物理场刺激与电信号记录的芯片及其制备方法，以期部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

根据本公开的第一个方面，提供了一种实现多物理场刺激与电信号记录的芯片，包括：

包覆层；以及

设置于上述包覆层内的第一外环区、第二外环区和中心区；其中

上述第一外环区包括：设置有圆形电极的环形线路，上述环形线路的第一端和第二端连接外部装置，以便上述第一外环区产生磁场信号；

上述第二外环区包括：相对于上述中心区对称设置的第一弧形回路和第二弧形回路；

上述第一弧形回路在靠近上述环形线路的第一端的位置处引出与上述外部装置连接的第三端，上述第二弧形回路在靠近上述环形线路的第二端的位置引出与上述外部装置连接的第四端，以便上述第二外环区产生电场信号；

上述中心区包括：压电陶瓷线路、发光二极管线路和微电极阵列；

上述压电陶瓷线路连接上述外部装置并产生声场信号，发光二极管线路连接上述外部装置并产生光场信号，微电极阵列连接上述外部装置并接收电信号，上述电信号为根据上述磁场信号、上述电场信号、上述声场信号和上述光场信号产生的。

根据本公开的实施例，上述第一弧形回路包括：依次连接的第一弧形线路、第一蛇形线路、第一电极板和第二蛇形线路，在上述第一弧形线路和上述第二蛇形线路相交处引出上述第三端；以及

上述第二弧形回路包括：依次连接的第二弧形线路、第三蛇形线路、第二电极板和第四蛇形线路，在上述第二弧形线路和上述第四蛇形线路相交处引出上述第四端。

根据本公开的实施例，上述第二外环区还包括：第一通孔，设置在上述第一蛇形线路外靠近上述第一电极板的位置上；

第二通孔，设置在上述第二蛇形线路外靠近上述第一电极板的位置上；

第三通孔，设置在上述第三蛇形线路外靠近上述第二电极板的位置上；以及

第四通孔，设置在上述第四蛇形线路外靠近上述第二电极板的位置上；

其中上述第一通孔和上述第三通孔基于上述中心区对称设置，上述第二通孔和上述第四通孔基于上述中心区对称设置，以便上述第一电极板和上述第二电极板构成平行电极板结构，在平行电场下产生平行电场信号。

根据本公开的实施例，上述包覆层在上述第一外环区、上述第二外环区和实施中心区之外为镂空结构。

根据本公开的实施例，上述中心区包括中心圆部和连接部；

上述中心圆部设置于上述芯片的中心位置；

上述连接部一端连接上述中心圆部，另一端连接上述环形线路的第一端、上述第一弧形回路的第三端、上述第二弧形回路的四端和上述环形线路的第二端；

上述发光二极管线路包括：发光二极管电极点和发光二极管；

上述发光二极管电极点连接上述发光二极管，并设置于上述中心圆部的中心位置，上述发光二极管电极点通过对应的发光二极管连接线连接上述外部装置。

根据本公开的实施例，上述微电极阵列包括：多个微电极点；

上述微电极点环绕上述发光二极管，上述微电极点之间的间距相等，上述微电极点通过对应的微电极阵列连接线连接上述外部装置。

根据本公开的实施例，上述压电陶瓷线路包括第一压电陶瓷电极点、第二压电陶瓷电极点和压电陶瓷片；

第一压电陶瓷电极点和第二压电陶瓷电极点通过对应的压电陶瓷线路连接线连接上述外部装置；以及

上述发光二极管连接线、上述微电极阵列连接线和上述压电陶瓷线路连接线以互不重叠的排列方式通过上述连接部连接上述外部装置。

本公开的第二个方面提供了一种实现多物理场刺激与电信号记录的装置，包括：上述的实现多物理场刺激与电信号记录的芯片；印制电路板，通过柔性电极线与上述芯片连接；以及培养小室，通过接口与上述印制电路板连接，且上述芯片放置于上述培养小室中，以便上述培养小室中的组织物根据上述芯片产生的磁场信号、电场信号、声场信号和光场信号，产生电信号并被上述芯片接收。

本公开的第三个方面提供了一种实现多物理场刺激与电信号记录的芯片的制备方法。通过分段加速旋涂方法，旋涂下绝缘层材料；通过梯度升温法，将上述下绝缘层材料制备为下绝缘层；通过沉积方法或外延方法，在上述下绝缘层上生长金属层；通过掩膜方法和光刻方法，将金属层制备为预设图案的线路层；通过制备上述下绝缘层的方法，在上述线路层上制备上绝缘层；通过掩膜方法和光刻方法，在上述上绝缘层制备发光二极管电极点、第一压电陶瓷电极点和预设位点；通过转印和灌封胶点涂包覆方法，将上述发光二极管电极点和发光二极管连接，制备得到发光二极管线路；以及通过银浆键合和烘烤固化方法，将压电陶瓷片和上述第一压电陶瓷电极点连接，制备压电陶瓷线路，以便得到上述芯片。

本公开的第四个方面提供了一种实现多物理场刺激与电信号记录的装置的制备方法，包括：金球铆焊方法、焊锡点焊方法和紫外固化胶涂覆方法。其中，通过金球铆焊方法，将上述的实现多物理场刺激与电信号记录的芯片通过连接线与印制电路板连接，上述连接线为柔性电极线；通过焊锡点焊方法，将上述印制电路板与培养小室连接；以及通过紫外固化胶涂覆方法，在金球铆焊位置和焊锡点焊位置进行密封操作，以便得到上述装置。

根据本公开提供的一种实现多物理场刺激与电信号记录的芯片及其制备方法，包括包覆层以及设置于包覆层内的第一外环区、第二外环区和中心区；其中，第一外环区包括设置有圆形电极的环形线路，环形线路的第一端和第二端连接外部装置，以便第一外环区产生磁场信号；第二外环区包括相对于中心区对称设置的第一弧形回路和第二弧形回路，其中，第一弧形回路在靠近环形线路的第一端的位置处引出与外部装置连接的第三端，第二弧形回路在靠近环形线路的第二端的位置引出与外部装置连接的第四端，以便第二外环区产生电场信号；中心区包括压电陶瓷线路、发光二极管线路和微电极阵列，压电陶瓷线路连接外部装置并产生声场信号，发光二极管线路连接外部装置并产生光场信号，微电极阵列连接外部装置并接收电信号，电信号为根据磁场信号、电场信号、声场信号和光场信号产生的。由于实现多物理场刺激与电信号记录的芯片装置可以实现电场信号、声场信号、光场信号、磁场信号的定制化施加并具有电信号记录功能，因此，可以实现多物理场刺激下实时、高通量细胞组织培养研究。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的集成发光二极管和压电陶瓷的柔性电极衬底示意图。

图2示意性示出了根据本公开实施例的柔性电极与含有插件孔的印制电路板金球铆焊及锡球点焊俯视图。

图3示意性示出了根据本公开实施例的柔性电极与含有插件孔的印制电路板金球铆焊及锡球点焊剖面图。

图4示意性示出了根据本公开实施例的用于实现多物理场刺激与电信号记录的装置的模块单元部分示意图。

图5示意性示出了根据本公开实施例的用于实现多物理场刺激与电信号记录的装置实景侧视图。

图6示意性示出了根据本公开实施例的用于实现多物理场刺激与电信号记录的芯片的制备方法的流程图。

图7示意性示出了根据本公开实施例的用于实现多物理场刺激与电信号记录的装置的制备方法的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了上述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

在本发明的技术方案中，所涉及的用户信息(包括但不限于用户个人信息、用户图像信息、用户设备信息，例如位置信息等)和数据(包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等)，均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据，并且相关数据的收集、存储、使用、加工、传输、提供、公开和应用等处理，均遵守相关国家和地区的相关法律法规和标准，采取了必要保密措施，不违背公序良俗，并提供有相应的操作入口，供用户选择授权或者拒绝。

在实现本公开的过程中发现，目前针对器官芯片互联互作以及细胞组培研究中，物理场刺激因素单一、多物理场刺激发生装置集成度不高以及难以实现多物理场刺激下高通量细胞培养研究。

为此，本公开的实施例提供了一种实现多物理场刺激与电信号记录的芯片，包括：包覆层；以及设置于包覆层内的第一外环区、第二外环区和中心区；其中第一外环区包括：设置有圆形电极的环形线路，环形线路的第一端和第二端连接外部装置，以便第一外环区产生磁场信号；第二外环区包括：相对于中心区对称设置的第一弧形回路和第二弧形回路；第一弧形回路在靠近环形线路的第一端的位置处引出与外部装置连接的第三端，第二弧形回路在靠近环形线路的第二端的位置引出与外部装置连接的第四端，以便第二外环区产生电场信号；中心区包括：压电陶瓷线路、发光二极管线路和微电极阵列；压电陶瓷线路连接外部装置并产生声场信号，发光二极管线路连接外部装置并产生光场信号，微电极阵列连接外部装置并接收电信号，电信号为根据磁场信号、电场信号、声场信号和光场信号产生的。

图1示意性示出了根据本公开实施例的集成发光二极管和压电陶瓷的柔性电极衬底示意图。

如图1所示，该实施例的集成发光二极管和压电陶瓷的柔性电极衬底示意图包括：包覆层101、第一外环区102、第二外环区103和中心区104。

根据本公开的实施例，第一外环区102包括设置有圆形电极的环形线路，其中，环形线路的第一端和第二端连接外部装置；第二外环区103相对于中心区104对称设置的第一弧形回路和第二弧形回路，其中，第一弧形回路在靠近环形线路的第一端的位置处引出与外部装置连接的第三端，第二弧形回路在靠近环形线路的第二端的位置引出与外部装置连接的第四端；中心区104包括压电陶瓷线路、发光二极管线路和微电极阵列，压电陶瓷线路连接外部装置并产生声场信号，发光二极管线路连接外部装置并产生光场信号，微电极阵列连接外部装置并接收电信号。

根据本公开的实施例，环形线路的第一端和第二端连接外部装置，可以使第一外环区产生磁场信号。第二弧形回路在靠近环形线路的第二端的位置引出与外部装置连接的第四端，可以使第二外环区产生电场信号。电信号为根据磁场信号、电场信号、声场信号和光场信号产生的，可以实现细胞培养的多物理场刺激。

根据本公开的实施例，反应离子腐蚀(reaction ionetching，RIE)技术是一种各向异性很强、选择性高的干法腐蚀技术，是在真空系统中利用分子气体等离子来进行刻蚀的，利用了离子诱导化学反应来实现各向异性刻蚀，即是利用离子能量来使被刻蚀层的表面形成容易刻蚀的损伤层和促进化学反应，同时离子还可清除表面生成物以露出清洁的刻蚀表面的作用。

根据本公开的实施例，在中心区104正上方位置通过RIE刻蚀出了11个直径为为200μm的圆形电极，同时，可以兼具作为中间微电极阵列的参考电极和地电极的功能。

根据本公开的实施例，第一弧形回路包括：依次连接的第一弧形线路、第一蛇形线路105、第一电极板107和第二蛇形线路106，在第一弧形线路和第二蛇形线路106相交处引出第三端；以及第二弧形回路包括：依次连接的第二弧形线路、第三蛇形线路108、第二电极板110和第四蛇形线路109，在第二弧形线路和第四蛇形线路相交处引出第四端。

根据本公开的实施例，通过第一蛇形线路105、第二蛇形线路106、第三蛇形线路108和第四蛇形线路109可以施加平行电场，可以将第一电极板107和第二电极板110部分翻折立起垂直于底面时，能够经受一定的形变保持电极衬底圆环部分不发生过多位移以及形变。

根据本公开的实施例，第二外环区103还包括：第一通孔111，设置在第一蛇形线路105外靠近第一电极板107的位置上；第二通孔112，设置在第二蛇形线路106外靠近第一电极板107的位置上；第三通孔113，设置在第三蛇形线路外靠近第二电极板110的位置上；以及第四通孔114，设置在第四蛇形线路109外靠近第二电极板110的位置上；其中第一通孔111和第三通113孔基于中心区104对称设置，第二通孔112和第四通孔114基于中心区104对称设置，以便第一电极板107和第二电极板110构成平行电极板结构，在平行电场下产生平行电场信号。

根据本公开的实施例，第二外环区103两侧竖直的两个长条形的电极部分第一电极板107和第二电极板110可以用来施加电场，其中电场可以是恒定电场，也可以是交变电场。RIE刻蚀暴露出的第一电极板107和第二电极板110尺寸分别为4mm×0.5mm，通过第一蛇形线路105、第二蛇形线路106、第三蛇形电路108和第四蛇形电路109连接是为了施加平行电场，将电极部分翻折立起垂直于底面时，能够经受一定的形变保持电极衬底圆环部分不发生过多位移以及形变。第一电极板107和第二电极板110的两端各预留有一个200μm的通孔，分别是第一通孔111、第二通孔112、第三通孔113和第四通孔114，设置通孔可以将中间部分的第一电极板107和第二电极板110折叠起来后，用不导电硬质微丝或者光纤穿过小孔能够起到固定电极保持第一电极板107和第二电极板110互相平行的作用。

根据本公开的实施例，如图1所示，包覆层101在第一外环区102、第二外环区103和实施中心区104之外为镂空结构。

根据本公开的实施例，细胞培养板可以使用的是康宁公司生产的含的12孔细胞培养板，Transwell小室的内径约为12mm。

根据本公开的实施例，集成发光二极管和压电陶瓷的柔性电极衬底的工作部分区域为圆环形区域，其中，发光二极管可以是micro-LED，第一外环区102轮廓衬底直径为11mm，略小于Transwell的底部直径，能够满足电极衬底放置到Transwell中之后恰好与底面圆形区域共圆心，中心区104的电极阵列处于正中间位置。

根据本公开的实施例，电极衬底大部分区域可以设计成镂空形状或者透明材料，在可见光范围内的光透过率达到80％。镂空形状可以使Transwell膜上下的细胞培养液进行及时的物质交换，例如营养物质成分更易于透过穿透膜到达细胞培养区域，细胞代谢产生的废物更容易渗透到Transwell下的培养板的管道中被及时清理，并且在器官组织发育过程中可透过器官芯片轻易观察到微小形貌的变化。

根据本公开的实施例，中心区104包括中心圆部115和连接部116。中心圆部104设置于芯片的中心位置。连接部一端连接中心圆部104，另一端连接环形线路的第一端、第一弧形回路的第三端、第二弧形回路的四端和环形线路的第二端；发光二极管线路包括：发光二极管电极点和发光二极管；发光二极管电极点连接发光二极管，并设置于中心圆部115的中心位置，发光二极管电极点通过对应的发光二极管连接线连接外部装置。

根据本公开的实施例，柔性电极衬底工作区域第一外环区102是一圈形如“Ω”的电极迹线，第一弧形回路在靠近环形线路的第一端的位置处引出与外部装置连接的第三端，第二弧形回路在靠近环形线路的第二端的位置引出与外部装置连接的第四端。

根据本公开的实施例，通过对回路施加交变电流，能够在环形线路中心的细胞培养区域形成变化的磁场，起到对生长中的细胞施加微磁刺激的作用。发光二极管电极点通过对应的发光二极管连接线连接外部装置可以实现光源的集成。

根据本公开的实施例，其中，微电极阵列包括多个微电极点；微电极点环绕发光二极管，微电极点之间的间距相等，微电极点通过对应的微电极阵列连接线连接外部装置。

根据本公开的实施例，微电极阵列部分由中心间距为1mm的3×3直径为30μm的电极点构成，中心区104的正中心位置有两个电极点，可用于通过银浆键合的方式集成外形尺寸为280μm×120μm×10μm的剥离蓝光发光二极管，其中发光二极管可以是micro-LED，再通过灌封胶点涂包覆可以实现电极的防水绝缘密封。

根据本公开的实施例，中心区104稍微靠下的区域有两个尺寸分别为0.7mm×0.3mm和0.5mm×0.3mm的方形电极板。

根据本公开的实施例，在中心区104的圆形微电极阵列部分，可以兼具电场信号以及电信号记录功能，连接电生理记录仪器时，能够记录细胞发放的高频Spike信号以及低频LFP局域场电位信号。两个尺寸不同的方形电极板可以用于连通其上方位置的划片后边长为800μm的PZT-5压电陶瓷片的正负极，经过银浆键合以及灌封胶防水密封，可以实现超声芯片的集成，可以在外部施加高频电信号的激励下，在培养液中产生超声机械振动。

根据本公开的实施例，压电陶瓷线路包括第一压电陶瓷电极点、第二压电陶瓷电极点和压电陶瓷片；第一压电陶瓷电极点和第二压电陶瓷电极点通过对应的压电陶瓷线路连接线连接外部装置；发光二极管连接线、微电极阵列连接线和压电陶瓷线路连接线以互不重叠的排列方式通过连接部连接外部装置。

根据本公开的实施例，发光二极管连接线、微电极阵列连接线和压电陶瓷线路连接线通过连接部连接外部装置，可以实现超声芯片的集成，可以在外部施加高频电信号的激励下，在培养液中产生超声机械振动。

根据本公开的实施例，由于细胞的电生理信号属于仅有微伏量级的弱电信号，而给环形线路、micro-LED、PZT-5压电陶瓷片施加的信号往往在毫伏量级，电生理记录过程和多物理场信号施加过程不能同时进行，但可以分时段进行，例如在进行了某种物理场的信号施加后，再连接至电生理仪器记录细胞在信号施加前后的电生理信号变化情况。

图2示意性示出了根据本公开实施例的柔性电极与含有插件孔的印制电路板金球铆焊及锡球点焊俯视图。

根据本公开的实施例，印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气相互连接的载体。

如图2所示，PCB可以为自主设计并送版生产，前端可以通过金球铆焊方法与前端的柔性电极衬底连接，金球铆焊位点210为两排长宽800μm×400μm的方形焊盘，相邻两个焊盘垂直与水平中心距离分别为586μm与1270μm，后端设计两排插件孔，可以通过锡焊方法连接至商用SMT插针，锡焊球焊固定点位220中孔径为586μm，相邻两个插件孔垂直与水平中心距离均为1270μm。

根据本公开的实施例，为了减小柔性电极衬底后端的封装面积，可以采用金球铆焊的方式对电极与转接PCB版进行电学连通，在电极尾部预留出了含有两个60μm直径大小穿孔的裸露金属板，通过金丝压焊机在对应位点铆焊出直径为80μm左右的金球，就能够将厚度仅为7μm左右的柔性电极衬底铆定在底部的转接PCB焊盘上，其中，焊盘尺寸为0.8mm×0.4mm，焊盘间距为1.27mm，留出了充足的余量以便于金球铆焊过程中的对准操作。

根据本公开的实施例，转接PCB下半部分为双头插件孔，可以通过焊锡球的方式实现与插针之间的电学和机械连接，双头插针的另一端则与PCB盖板上的母座连接，实现从转接PCB到整体培养板级PCB的电学通路。由于直接裸露了电路的部分，为了避免在后续操作过程中发生机械和电路破坏，在焊接好之后，可以在其裸露出的电路部分覆盖一层紫外固化胶以实现对电路的保护。

图3示意性示出了根据本公开实施例的柔性电极与含有插件孔的印制电路板金球铆焊及锡球点焊剖面图。

如图3所示，。涂覆的紫外固化胶350完全包覆住了点焊的锡球330以及位于柔性电极衬底尾部的铆焊的金球340，同时实现了良好的防水与绝缘密封，另一头的双头SMT插针310则与配合培养板定制的PCB320上的母座插针相连接，该层级下将柔性电极衬底上的各个通道转接至双头SMT插针的各个引脚。

根据本公开的实施例，本公开还提供了实现多物理场刺激与电信号记录的芯片的装置，包括印制电路板和培养小室。印制电路板通过柔性电极线与芯片连接，培养小室通过接口与印制电路板连接，且芯片放置于培养小室中。

根据本公开的实施例，器官芯片集成在Transwell细胞培养小室中，培养小室中的组织物可以根据芯片产生的磁场信号、电场信号、声场信号和光场信号，产生电信号并被芯片接收。通过转接电路能够直接从外部电路对单个集成有器官芯片的细胞培养模块施加多物理场刺激以及提取电生理信号。

图4示意性示出了根据本公开实施例的用于实现多物理场刺激与电信号记录的芯片的装置的模块单元部分示意图。

如图4所示，一种配合9孔培养板以及定制9孔印制电路板所制备成的一个实现多物理场刺激与电信号记录的装置的整体，单元可以为可扇出20个通道的单元。芯片420放置于Transwell细胞培养小室410中通过柔性电极与转接印制电路板430连接，转接印制电路板430中通过金手指电连接接口440可以转接信号源或者电生理记录仪。通过3D打印以及电路板设计，还能够进行更多孔板、更高通量的细胞培养研究，例如可以实现12孔及定制12孔制备成的实现多物理场刺激与电信号记录的装置和20孔培养板以及20孔印制电路板制备成的实现多物理场刺激与电信号记录的装置。还可以利用利用单个器官芯片培养模块的可插拔性，能够快速将器官组织放置于具有不同培养环境的培养孔中培养研究。

根据本公开的实施例，柔性电极衬底由于质地很轻，且和Transwell一样都为聚合物基材，容易引起静电聚集，导致在干燥条件下很难对准组装，不过可以实现将柔性电极润湿，且在Transwell中提前装入适量去离子水，然后将电极伸入Transwell的液面中，薄膜柔性电极衬底即可在水的表面张力作用下铺展开，由于柔性电极衬底的环形框架与Transwell尺寸相适配，柔性电极衬底前端部分恰好能位于Transwell所承载的液面居中位置，使用胶头滴管将多余液体吸走，柔性电极衬底随顶层液面沉降至底面，即可实现柔性电极衬底和Transwell的共形装配，在40摄氏度烘箱中烘烤充足的时间令组装过程中残留在器件表面的水分散失完全，柔性电极衬底电底面与Transwell底面在范德华力的作用下紧密贴附。

根据本公开的实施例，聚二甲基硅氧烷(PDMS)是广泛应用于微流体芯片的加工和原型制造的一种有机高分子聚合物。

根据本公开的实施例，为了防止细胞培养实验中施加的液体以及外力再使柔性电极衬底与Transwell分离，可以通过在环形区和底部Transwell边缘小心浇筑配置好的PDMS，再置于烘箱中以40摄氏度温度加热固化12h，即可实现电极与Transwell的稳固集成；

根据本公开的实施例，在进行细胞培养实验时，细胞就可以在电极衬底表面进行生长发育，可以通过多物理场信号施加与微电极阵列记录电信号，进行丰富的细胞培养基础科学研究。

图5示意性示出了根据本公开实施例的实现多物理场刺激与电信号记录的装置实景侧视图。

如图5所示，实现多物理场刺激与电信号记录的装置包括微流通道接口510，细胞体外培养的多物理场刺激、电信号检测装置还可以配合微流控技术，同时集成微流通道与电信号传达通道，直接在版级接口上实现对每个单元内细胞的信号施加、物质传递以及电生理信号检测的目的。实现多物理场刺激与电信号记录的装置的金手指电连接接口520用于转接信号源或电生理记录仪。

图6意性示出了根据本公开实施例的用于实现多物理场刺激与电信号记录的芯片的制备方法的流程图包括操作S610～S680。

在操作S610，通过分段加速旋涂方法，旋涂下绝缘层材料。

根据本公开的实施例，分段加速旋涂方法的旋涂参数可以为：100rpm/s的加速度至500rpm旋涂20s,500rpm/s的加速度至1000rpm旋涂20s,500rpm/s的加速度至1500rpm旋涂20s,500rpm/s的加速度至2000rpm旋涂20s,500rpm/s的加速度至2500rpm旋涂20s,500rpm/s的加速度至2700rpm旋涂20s,500rpm/s的加速度至3000rpm旋涂20s。

在操作S620，通过梯度升温法，将下绝缘层材料制备为下绝缘层。

根据本公开的实施例，从100摄氏度升至300摄氏度的梯度升温具体梯度可以为：将热板升温至100℃保持30min，再逐级升温至150℃，200℃，250℃，300℃分别保持1h，随炉冷却至室温即可表征完成下绝缘层的制备。

在操作S630，通过沉积方法或外延方法，在下绝缘层上生长金属层。

根据本公开的实施例，可以通过RIE刻蚀提高表面粗糙度增加金属层以及上层PI的粘附性，采用AR-N4340负性光刻胶配合设计好的掩膜版进行第一次光刻，剥离获得不同层厚的金属层，例如可以是10nmTi/100nmPt/10nmTi厚度的金属层，其中上下两层Ti层主要起到增加与PI之间的粘附力的作用，主要导电以及直接与细胞培养环境接触的微腐蚀后得到的Pt界面。

在操作S640，通过掩膜方法和光刻方法，将金属层制备为预设图案的线路层。

在操作S650，通过制备下绝缘层的方法，在线路层上制备上绝缘层。

根据本公开的实施例，可以通过与制备下绝缘层相同的方法制备上绝缘层。

在操作S660，通过掩膜方法和光刻方法，在上绝缘层制备发光二极管电极点、第一压电陶瓷电极点和预设位点。

根据本公开的实施例，可以使用AZ 4620正性光刻胶做第二次光刻制备掩膜层，通过RIE刻蚀出电极以及衬底位点，然后使用5％的氢氟酸腐蚀液洗去表层电极暴露出来的Ti露出Pt界面，接着使用AZ 4620光刻胶做第三次光刻，目的是刻蚀出整个电极衬底的轮廓。

在操作S670，通过转印和灌封胶点涂包覆方法，将发光二极管电极点和发光二极管连接，制备得到发光二极管线路。

根据本公开的实施例，可以使用转印方式剥离发光二极管，通过导电银浆键合在柔性电极衬底中心，在110摄氏度温度的烘箱中烘烤1h完成银浆的固化，再使用灌封胶点涂包覆住发光二极管以及含有银浆的部分进行电路部分的防水密封，从而实现光源的集成。

在操作S680，通过银浆键合和烘烤固化方法，将压电陶瓷片和第一压电陶瓷电极点连接，制备压电陶瓷线路，以便得到芯片。

根据本公开的实施例，可以通过砂轮划片得到长宽分别为800μm的压电陶瓷片PZT-5，可以使用银浆键合再烘烤固化的方式将正负极与柔性电极上预制的衬底相连，可以使用灌封胶包裹住裸露的电路部分防水密封，从而实现压电陶瓷线路的制备。

根据本公开的实施例，三次光刻可以使蚀刻出整个电极衬底的轮廓，蚀刻完成后可在水中使用镊子将电极从硅片衬底上剥离下来。多物理场刺激与电信号记录的芯片可以实现多物理刺激的定制化施加。

图7示意性示出了根据本公开实施例的实现多物理场刺激与电信号记录的装置的制备方法的流程图包括操作S710～S730。

在操作S710，通过金球铆焊方法，将实现多物理场刺激与电信号记录的芯片通过连接线与印制电路板连接，连接线为柔性电极线。

根据本公开的实施例，多物理场刺激与电信号检测装置的后端预先设计出直径大小60μm的金属层孔洞，利用金丝压焊机的金球铆焊功能实现柔性电极与配套PCB的衬底之间的电学连接，PCB后端则设计有插件孔，用于和固定在Transwell上的SMT插针相连。

在操作S720，通过焊锡点焊方法，将印制电路板与培养小室连接。

根据本公开的实施例，印制电路板与培养小室通过焊锡点焊，可以实现更加稳固的电学和机械连接。

在操作S730，通过紫外固化胶涂覆方法，在金球铆焊位置和焊锡点焊位置进行密封操作，以便得到装置。

根据本公开的实施例，可以使用紫外固化胶涂覆盖住PCB版上方裸露的金球铆焊以及锡球焊点的位置，使用紫外光照射固化，完成暴露出电路部分的防水、绝缘密封保护。

根据本公开的实施例，金球铆焊可以实现电学连接，焊锡点焊可以使电学连接更加稳固，紫外固化胶可以进一步对电路进行保护。实现多物理场刺激与电信号记录的装置可以实现电信号的记录功能。

附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种实现多物理场刺激与电信号记录的芯片，包括：

包覆层；以及

设置于所述包覆层内的第一外环区、第二外环区和中心区；其中

所述第一外环区包括：设置有圆形电极的环形线路，所述环形线路的第一端和第二端连接外部装置，以便所述第一外环区产生磁场信号；

所述第二外环区包括：相对于所述中心区对称设置的第一弧形回路和第二弧形回路；

所述第一弧形回路在靠近所述环形线路的第一端的位置处引出与所述外部装置连接的第三端，所述第二弧形回路在靠近所述环形线路的第二端的位置引出与所述外部装置连接的第四端，以便所述第二外环区产生电场信号；

所述中心区包括：压电陶瓷线路、发光二极管线路和微电极阵列；

所述压电陶瓷线路连接所述外部装置并产生声场信号，发光二极管线路连接所述外部装置并产生光场信号，微电极阵列连接所述外部装置并接收电信号，所述电信号为根据所述磁场信号、所述电场信号、所述声场信号和所述光场信号产生的。

2.根据权利要求1所述的实现多物理场刺激与电信号记录的芯片，其中，所述第一弧形回路包括：

依次连接的第一弧形线路、第一蛇形线路、第一电极板和第二蛇形线路，在所述第一弧形线路和所述第二蛇形线路相交处引出所述第三端；以及

所述第二弧形回路包括：

依次连接的第二弧形线路、第三蛇形线路、第二电极板和第四蛇形线路，在所述第二弧形线路和所述第四蛇形线路相交处引出所述第四端。

3.根据权利要求2所述的实现多物理场刺激与电信号记录的芯片，所述第二外环区还包括：

第一通孔，设置在所述第一蛇形线路外靠近所述第一电极板的位置上；

第二通孔，设置在所述第二蛇形线路外靠近所述第一电极板的位置上；

第三通孔，设置在所述第三蛇形线路外靠近所述第二电极板的位置上；以及

第四通孔，设置在所述第四蛇形线路外靠近所述第二电极板的位置上；其中

所述第一通孔和所述第三通孔基于所述中心区对称设置，所述第二通孔和所述第四通孔基于所述中心区对称设置，以便所述第一电极板和所述第二电极板构成平行电极板结构，在平行电场下产生平行电场信号。

4.根据权利要求1所述的实现多物理场刺激与电信号记录的芯片，其中，所述包覆层在所述第一外环区、所述第二外环区和实施中心区之外为镂空结构。

5.根据权利要求1所述的实现多物理场刺激与电信号记录的芯片，其中，所述中心区包括中心圆部和连接部；

所述中心圆部设置于所述芯片的中心位置；

所述连接部一端连接所述中心圆部，另一端连接所述环形线路的第一端、所述第一弧形回路的第三端、所述第二弧形回路的四端和所述环形线路的第二端；

所述发光二极管线路包括：发光二极管电极点和发光二极管；

所述发光二极管电极点连接所述发光二极管，并设置于所述中心圆部的中心位置，所述发光二极管电极点通过对应的发光二极管连接线连接所述外部装置。

6.根据权利要求5所述的实现多物理场刺激与电信号记录的芯片，其中，所述微电极阵列包括：多个微电极点；

所述微电极点环绕所述发光二极管，所述微电极点之间的间距相等，所述微电极点通过对应的微电极阵列连接线连接所述外部装置。

7.根据权利要求6所述的实现多物理场刺激与电信号记录的芯片，其中，所述压电陶瓷线路包括第一压电陶瓷电极点、第二压电陶瓷电极点和压电陶瓷片；

第一压电陶瓷电极点和第二压电陶瓷电极点通过对应的压电陶瓷线路连接线连接所述外部装置；以及

所述发光二极管连接线、所述微电极阵列连接线和所述压电陶瓷线路连接线以互不重叠的排列方式通过所述连接部连接所述外部装置。

8.一种实现多物理场刺激与电信号记录的装置，包括：

权利要求1-7任一所述的实现多物理场刺激与电信号记录的芯片；

印制电路板，通过柔性电极线与所述芯片连接；以及

培养小室，通过接口与所述印制电路板连接，且所述芯片放置于所述培养小室中，以便所述培养小室中的组织物根据所述芯片产生的磁场信号、电场信号、声场信号和光场信号，产生电信号并被所述芯片接收。

9.一种实现多物理场刺激与电信号记录的芯片的制备方法，包括：

通过分段加速旋涂方法，旋涂下绝缘层材料；

通过梯度升温法，将所述下绝缘层材料制备为下绝缘层；

通过沉积方法或外延方法，在所述下绝缘层上生长金属层；

通过掩膜方法和光刻方法，将金属层制备为预设图案的线路层；

通过制备所述下绝缘层的方法，在所述线路层上制备上绝缘层；

通过掩膜方法和光刻方法，在所述上绝缘层制备发光二极管电极点、第一压电陶瓷电极点和预设位点；

通过转印和灌封胶点涂包覆方法，将所述发光二极管电极点和发光二极管连接，制备得到发光二极管线路；以及

通过银浆键合和烘烤固化方法，将压电陶瓷片和所述第一压电陶瓷电极点连接，制备压电陶瓷线路，以便得到所述芯片。

10.一种实现多物理场刺激与电信号记录的装置的制备方法，包括：

通过金球铆焊方法，将权利要求1-7任一所述的实现多物理场刺激与电信号记录的芯片通过连接线与印制电路板连接，所述连接线为柔性电极线；

通过焊锡点焊方法，将所述印制电路板与培养小室连接；以及

通过紫外固化胶涂覆方法，在金球铆焊位置和焊锡点焊位置进行密封操作，以便得到所述装置。