CN117929702A - 一种基于延展栅mosfet的细胞膜电位传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于延展栅MOSFET的细胞膜电位传感器及其应用，涉及传感器领域。本发明传感器具有以下优点：1)灵敏度高，加入体接触电极调制阈值电压，增强了对电阻对细胞膜电位的敏感度；2)器件尺寸小，CMOS等比例微缩技术同样适用于细胞膜电位传感器的制备，有利于更新迭代；3)与集成电路制造工艺兼容，能够采用目前广泛使用的半导体工艺在芯片制造的同时进行传感器的集成；4)初始电阻可调范围大，可以充分适应后续读出电路的设计。因此基于延展栅MOSFET制备的细胞膜电位传感器具有广阔的应用前景。

Description

一种基于延展栅MOSFET的细胞膜电位传感器及其应用

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体涉及一种基于延展栅MOSFET的细胞膜电位传感器及其应用。

背景技术

细胞是生物体的基本组成单元。细胞外围有一层主要由液态脂质双分子层和蛋白质组成的细胞膜，将细胞与胞外环境分隔开。细胞膜两侧的离子浓度分布不均匀，如多数动物细胞内Na⁺、Cl^-、Ca²⁺等离子浓度低于胞外浓度，而K⁺浓度高于胞外浓度，这导致膜两侧存在电位差，称为细胞的膜电位。膜电位可分为静息电位和动作电位。当细胞未受到外来刺激且保持正常的新陈代谢时，其膜电位表现为外正内负，即细胞膜内较细胞膜外为负值，且电位差稳定在某一相对恒定的水平，称为细胞的静息电位；当细胞受到刺激时，在静息电位的基础上会发生短暂的电位变化，包括一个上升相和一个下降相，这种电位变化称为细胞的动作电位。由于膜电位反映了细胞膜离子通道的通闭、离子的转运等等，在神经信息传递、生命调控、细胞通讯等一系列生命过程中起着重要的作用，因此，细胞膜电位检测技术的研究具有重大意义。

细胞膜电位传感器以活体细胞为研究对象，分析细胞的膜电位在外界光、电或药物刺激下的行为，可在很大程度上拓宽目前生物医学测量与控制等研究领域。在生物医学研究中，细胞膜电位是研究细胞生理活动和疾病机制的重要参数之一。传统的细胞膜电位传感器主要分为两种类型：1)膜片钳技术；2)微电极阵列(MEAs)。

膜片钳技术属于细胞内记录法，为记录单个细胞或单细胞膜片上的电流来测量膜电位的技术。主要通过内装电极的玻璃毛细血管接触细胞膜，使之形成密封并与周围细胞膜在电学上绝缘，通过对该膜片实现电压钳位，测量单个离子通道开放和关闭的电流幅值分布。基于膜片钳技术的细胞膜电位传感技术具有数据直观、测量精度高等优点，但是膜片钳技术细胞膜电位传感器测量时会改变细胞特性，在很短时间内致使细胞死亡，同时只能进行细胞局部信号测量，且无法实现对多个细胞的同步测定。

微电极阵列(MEAs)通过在多孔电极阵列上培养细胞并测量细胞群体的电活动来测量膜电位的技术。具体为通过用微电子加工技术形成的Au/Cr、Ir或者Pt等尺寸为微米级的电极阵列接触细胞，记录细胞动作电位频率、幅值以及细胞间信号传导等参数。微电极阵列属于细胞外测量，具有无损、长期、并行输出多路探测信号等优势，但由于细胞膜属于微弱信号。在电极阵列走线上损耗信号相对较大，且走线间信号串扰较大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有细胞膜电位传感器的不足，提供一种基于延展栅MOSFET的细胞膜电位传感器及其应用，该细胞膜电位传感器采用延展栅金属氧化物半导体场效应晶体管作为细胞膜电位传感器，用MOSFET的源漏电阻值来表征细胞的膜电位，是突破传统的膜片钳技术和微电极阵列型细胞膜传感器胞内测量瓶颈和集成瓶颈的可行方案。测量时通过改变体接触电极的电势来使未放置细胞时的传感器工作点位于亚阈值区，此时源漏电阻值对细胞电位敏感度最大。且未放置细胞时的传感器初始电阻可根据后续读出电路需求大范围可调。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供了一种基于延展栅MOSFET的细胞膜电位传感器，包括衬底，衬底上设有体扩散区、源扩散区和漏扩散区，所述源扩散区和漏扩散区之间形成氧化层，氧化层表面形成栅极金属电极，所述细胞膜电位传感器还包括从所述栅极金属电极引出的延展栅金属电极，

检测时，所述延展栅金属电极用于放置待检测的细胞。

优选的，所述衬底的材料为以下至少一种：硅衬底、锗衬底、砷化镓衬底。

具体的，所述体扩散区通过在衬底对应区域进行p型掺杂形成；

所述源扩散区和漏扩散区通过在衬底对应区域进行n型重掺杂形成。

具体的，所述氧化层的材料为以下至少一种：氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧氮化硅；

所述栅极金属电极的材料为以下至少一种：铝、铜、镍硅合金；

所述延展栅金属电极的材料为以下至少一种：铝、铜、金。

进一步地，所述体扩散区的厚度为10～50nm；所述源扩散区和漏扩散区的厚度各为10～50nm；所述氧化层的厚度为10～100nm；所述栅极金属电极的厚度为10～50nm；所述延展栅金属电极的厚度为10～50nm。

本发明还提供了所述细胞膜电位传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)在衬底的对应区域进行p型掺杂形成体扩散区；

(2)在衬底的对应区域进行n型重掺杂形成源扩散区和漏扩散区；

(3)在衬底位于源扩散区和漏扩散区之间光刻出栅极，沉积氧化层，并在氧化层表面沉积形成栅极金属电极；

(4)在硅片上沉积形成延展栅金属电极，将延展栅金属电极与栅极金属电极进行引线键合连接。

常用固定金属引线的材料可以为金、铝、铜中的任意一种。

具体的，步骤(1)中，进行p型掺杂形成体扩散区前，需要在衬底表面光刻体区域，光刻体区域的方法可以为紫外光刻、激光直写和电子束光刻；进行p型掺杂形成体扩散区时，掺杂的方法为热扩散或离子注入，掺杂的浓度为10¹⁵每立方厘米至10¹⁷每立方厘米，掺杂并退火，退火的方式可以选择热退火、微波退火或激光退火；

步骤(2)中，进行n型重掺杂形成源扩散区和漏扩散区前，需要在衬底表面光刻源漏区域，光刻这两个区域的方法可以为紫外光刻、激光直写和电子束光刻；进行n型重掺杂形成源扩散区和漏扩散区时，掺杂的方法为热扩散或离子注入，掺杂的浓度为10¹⁷每立方厘米至10²⁰每立方厘米，掺杂并退火，退火的方式可以选择热退火、微波退火或激光退火。

步骤(3)中，光刻出栅极的方法可以选择紫外光刻、激光直写和电子束光刻，沉积氧化层的方法为原子层气相沉积或热氧化。

步骤(3)和步骤(4)中，沉积形成栅极金属电极和沉积形成延展栅金属电极的方法均为磁控溅射或热蒸发。

本发明还提供了一种细胞膜电位检测方法，使用所述细胞膜电位传感器，所述细胞膜电位检测方法包括以下步骤：

(1)将待检测的细胞体外培养在所述延展栅金属电极上；其中待检测的细胞使用单个细胞进行检测；

(2)体扩散区、源扩散区和漏扩散区分别作为体接触电极、源极和漏极，体接触电极施加一个特定电压，漏极施加恒定电压，源极接地，测量漏极电流随时间变化情况，计算出源漏电阻值，

其中，体接触电极施加特定电压为使所述细胞膜电位传感器在栅压为零下工作在亚阈值区的电压；所述漏极施加恒定电压为使所述细胞膜电位传感器工作在线性区的电压，取漏极电压除以漏极电流值为源漏电阻值；

(3)细胞接受刺激后，细胞膜电位改变导致延展栅金属电极和栅极金属电极电压的改变，源漏电阻值相应发生变化，从而实现对细胞膜电位的传感检测。

本发明提供一种基于延展栅MOSFET的细胞膜电位传感器采用衬底场效应晶体管的结构，当细胞被置于延展栅时，细胞膜电位引起栅极电压的变化，而源漏电流也将发生变化从而实现对细胞活性的传感。由于加入体接触电极调制阈值电压，因此电阻的变化对细胞膜电位的感应非常敏感，从而实现高精度的细胞膜电位传感。

本发明的有益效果是：本发明传感器具有以下优点：1)灵敏度高，加入体接触电极调制阈值电压，增强了对电阻对细胞膜电位的敏感度；2)器件尺寸小，CMOS等比例微缩技术同样适用于细胞膜电位传感器的制备，有利于更新迭代；3)与集成电路制造工艺兼容，能够采用目前广泛使用的半导体工艺在芯片制造的同时进行传感器的集成；4)初始电阻可调范围大，可以充分适应后续读出电路的设计。因此基于延展栅MOSFET制备的细胞膜电位传感器具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为体扩散区掺杂形成体接触电极区域示意图。

图2为源漏扩散区掺杂形成欧姆接触电极区域示意图。

图3为栅极氧化物与金属形成接触电极示意图。

图4为细胞膜电位传感器的结构示意图。

图5为传感器工作时的连接方式示意图。

图6为体接触电极调控下细胞膜电位传感器的电学输出特性示例。

图7为细胞膜电位传感器对细胞电位的敏感度示例。

图8为细胞膜电位传感器初始电阻可调范围示例。

图中，衬底10、体扩散区11、漏极扩散区20、源极扩散区21、氧化层30、栅极金属电极31、延展栅金属电极40、硅片41。

具体实施方式

需要注意的是，本说明书中的“表面”、“上”，用于描述空间的相对位置关系，并不限定于是否直接接触。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

实施例1

本发明提供一种基于延展栅MOSFET的细胞膜电位传感器，如图4中所示，包括衬底10，以及衬底10上的体扩散区11、漏扩散区20和源扩散区21，源扩散区21和漏扩散区20之间形成氧化层30，氧化层30表面形成栅极金属电极31，从栅极金属电极31引出的延展栅金属电极40，在延展栅金属电极40的下方设置有硅片41，检测时，所述延展栅金属电极用于放置待检测的细胞。

需要说明的是，衬底10的材料为以下至少一种：硅衬底、锗衬底、砷化镓衬底，氧化层30的材料包含但不限于氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧氮化硅，厚度为10～100nm；栅极金属电极30的材料包含但不限于铝、铜、金，厚度为10～50nm；延展栅金属电极31的材料包含但不限于铝、铜、金，厚度为10～50nm。

其中，体扩散区11通过在衬底10对应区域进行p型掺杂形成，厚度为10～50nm；源扩散区21和漏扩散区20通过在衬底10对应区域进行n型重掺杂形成，源扩散区21和漏扩散区20的厚度各为10～50nm；

本发明提供的细胞膜电位传感器是基于延展栅MOSFET的细胞膜电位传感器，利用细胞膜电位变化改变MOSFET栅极电位，从而改变源漏电阻值，使用体接触电极将MOSFET栅压为零时的工作点调至亚阈值区，以增强源漏电阻对于细胞膜电位变化的灵敏度。

本发明提供的一种基于延展栅MOSFET的细胞膜电位传感器的制造方法，包括如下步骤：

(1)在衬底的对应区域进行p型掺杂形成体扩散区11；

如图1所示，进行p型掺杂形成体扩散区11前，需要在衬底10表面光刻体区域，光刻体区域的方法可以为紫外光刻、激光直写和电子束光刻；对体区域凹槽内的衬底10进行掺杂，掺杂的类型为p型，掺杂的方法为热扩散或离子注入，掺杂的浓度为10¹⁵每立方厘米至10¹⁷每立方厘米；

之后，在体扩散区11中退火修复注入损伤，退火的方法为热退火、微波退火或激光退火；

(2)在衬底的对应区域进行n型重掺杂形成源扩散区21和漏扩散区20；

如图2所示，进行n型重掺杂形成源扩散区21和漏扩散区20前，需要在衬底表面光刻源区域和漏区域，光刻这两个区域的方法可以为紫外光刻、激光直写和电子束光刻；对漏区凹槽和源区凹槽内的衬底10进行掺杂形成重掺杂区域，掺杂的类型为n型，掺杂的方法为热扩散或离子注入，掺杂的浓度为10¹⁷每立方厘米至10²⁰每立方厘米；

之后，在源、漏扩散区中退火修复注入损伤，退火的方法为热退火、微波退火或激光退火；

(3)在衬底位于源扩散区21和漏扩散区20之间光刻出栅极，沉积氧化层30，并在氧化层表面沉积形成栅极金属电极31；

如图3所示，在衬底10上光刻出栅极，沉积氧化层30的厚度为10～100nm，沉积氧化层的方法为原子层气相沉积；之后在氧化层30上制备栅极金属电极31，沉积金属的方法为化学气相沉积、热蒸镀或溅射；

(4)在硅片41上沉积形成延展栅金属电极40，将延展栅金属电极40与栅极金属电极31进行引线键合连接；

如图4所示，在硅片41上沉积延展栅金属电极40，厚度为10～50nm，方法为化学气相沉积、热蒸镀或溅射；之后，将栅极金属电极31与延展栅金属电极40连接，方法为引线键合，引线的材料可以为金、铝、铜中的任意一种，即可完成本发明中细胞膜电位传感器的制备。

实施例2

本发明提供了一种细胞膜电位检测方法，使用所述细胞膜电位传感器，所述细胞膜电位检测方法包括以下步骤：

(1)将待检测的细胞体外培养在延展栅金属电极上；

(2)体扩散区、源扩散区和漏扩散区分别作为体接触电极、源极和漏极，体接触电极施加一个特定电压，漏极施加恒定电压，源极接地，测量漏极电流随时间变化情况，计算出源漏电阻值，

其中，体接触电极施加特定电压为使细胞膜电位传感器在栅压为零下工作在亚阈值区的电压；所述漏极施加恒定电压为使所述细胞膜电位传感器工作在线性区的电压，取漏极电压除以漏极电流值为源漏电阻值；

(3)细胞接受刺激后，细胞膜电位改变导致延展栅金属电极电压的改变，进一步导致栅极金属电极电压的改变，源漏电阻值相应发生变化，从而实现对细胞膜电位的传感检测。

一种基于延展栅MOSFET的细胞膜电位传感器的使用方法具体为：

如图5所示，当单细胞(离子通道稳转细胞系，科瑞斯生物/Icagen)被体外培养延展栅金属电极时，体接触电极接电压信号V_Bulk，源漏扩散区的接触电极分别接电压信号V_d和地，细胞接受刺激后细胞膜电位改变导致延展栅金属电极电压和栅极金属电压的改变，而源漏电阻也将发生变化，从而实现对细胞膜电位的传感。

在本实施例中，由于加入体接触电极调控，细胞电位传感器可以工作在亚阈值区，因此源漏电阻的变化对细胞膜电位的感应非常敏感，从而实现高精度的细胞活性传感。

如图6所示，上述具体实例中，漏极电压为-0.05V，在体接触电极电势分别为O.50、0.75、1.00、1.25、1.50V下的漏极电流随栅极电压的变化曲线，栅极电压用于模拟细胞膜电位，取栅极电压为零时的点为初始点，当体接触电极电势为1.00V时，初始点位于亚阈值区中心。

如图7所示，在上述具体实例中，展示体接触电极电势为1.00V时源漏电阻对细胞膜电位的敏感度，当细胞膜电位变化1mV时，源漏电阻变化率为4％。

如图8所示，在上述具体实例中，展示初始源漏电阻值关于体接触电极电势的可调范围，该范围反映了本发明提出的一种基于延展栅MOSFET的细胞膜电位传感器可以充分适应后续基于分压法的读出电路设计。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种基于延展栅MOSFET的细胞膜电位传感器，其特征在于，包括衬底，衬底上设有体扩散区、源扩散区和漏扩散区，所述源扩散区和漏扩散区之间形成氧化层，氧化层表面形成栅极金属电极，所述细胞膜电位传感器还包括从所述栅极金属电极引出的延展栅金属电极，

检测时，所述延展栅金属电极用于放置待检测的细胞。

2.根据权利要求1所述基于延展栅MOSFET的细胞膜电位传感器，其特征在于，所述衬底的材料为以下至少一种：硅衬底、锗衬底、砷化镓衬底。

3.根据权利要求2所述基于延展栅MOSFET的细胞膜电位传感器，其特征在于，所述体扩散区通过在衬底对应区域进行p型掺杂形成；

所述源扩散区和漏扩散区通过在衬底对应区域进行n型重掺杂形成。

4.根据权利要求2所述基于延展栅MOSFET的细胞膜电位传感器，其特征在于，所述氧化层的材料为以下至少一种：氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧氮化硅；

所述栅极金属电极的材料为以下至少一种：铝、铜、金；

所述延展栅金属电极的材料为以下至少一种：铝、铜、金。

5.根据权利要求1所述基于延展栅MOSFET的细胞膜电位传感器，其特征在于，所述体扩散区的厚度为10～50nm；

所述源扩散区和漏扩散区的厚度各为10～50nm；

所述氧化层的厚度为10～100nm；

所述栅极金属电极的厚度为10～50nm；

所述延展栅金属电极的厚度为10～50nm。

6.权利要求1～5任一所述细胞膜电位传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在衬底的对应区域进行p型掺杂形成体扩散区；

(2)在衬底的对应区域进行n型重掺杂形成源扩散区和漏扩散区；

(3)在衬底位于源扩散区和漏扩散区之间光刻出栅极，沉积氧化层，并在氧化层表面沉积形成栅极金属电极；

(4)在硅片上沉积形成延展栅金属电极，将延展栅金属电极与栅极金属电极进行引线键合连接。

7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中，进行p型掺杂形成体扩散区时，掺杂的方法为热扩散或离子注入，掺杂的浓度为10¹⁵每立方厘米至10¹⁷每立方厘米；

步骤(2)中，进行n型重掺杂形成源扩散区和漏扩散区时，掺杂的方法为热扩散或离子注入，掺杂的浓度为10¹⁷每立方厘米至10²⁰每立方厘米。

8.一种细胞膜电位检测方法，其特征在于，使用权利要求1～5任一所述细胞膜电位传感器，所述细胞膜电位检测方法包括以下步骤：

(1)将待检测的细胞体外培养在所述延展栅金属电极上；

(2)体扩散区、源扩散区和漏扩散区分别作为体接触电极、源极和漏极，体接触电极施加一个特定电压，漏极施加恒定电压，源极接地，测量漏极电流随时间变化情况，计算出源漏电阻值，

其中，体接触电极施加特定电压为使所述细胞膜电位传感器在栅压为零下工作在亚阈值区的电压；所述漏极施加恒定电压为使所述细胞膜电位传感器工作在线性区的电压，取漏极电压除以漏极电流值为源漏电阻值；

(3)细胞接受刺激后，细胞膜电位改变导致延展栅金属电极和栅极金属电极电压的改变，源漏电阻值相应发生变化，从而实现对细胞膜电位的传感检测。