微電極陣列傳感器的製作方法

2023-06-06 01:46:11 1

專利名稱：微電極陣列傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及分布電勢場傳感和生物電生理檢測領域，特別涉及一種微電極陣列傳感器。
背景技術：
微電極陣列傳感器廣泛應用在分布電勢場傳感和生物電生理檢測領域中，特別是應用在神經電生理學研究中記錄神經電信號。微電極陣列傳感器的工作原理為溶液中的離子與電極中的電子在微電極界面上存在電場耦合，微電極附近的電勢場因此能夠被探測並傳輸到外部電路完成信號記錄。現有的微電極陣列傳感器的典型結構參見圖1。在絕緣襯底上排布多組微電極，每個微電極由導線引出，其上覆蓋絕緣層，僅暴露出微電極和導線的焊盤。這樣的微電極陣列傳感器每個微電極需要配置單獨的引出導線，佔有不可復用的器件空間。現有技術生產的微電極陣列在通道數的提高上具有瓶頸。因為平面工藝限制了每個微電極及其導電通路能夠佔用的面積，增加通道數就意味著減小分配給每個微電極的面積和電極的間距，而這樣做的結果是傳輸信號的衰減和信道間的串擾增加。以國際市場上的幾家高端微電極陣列生產商為例，它們生產的主流微電極陣列通道數分別為60道 (Multichannel System ltd·)，64 道(Med64Panasonic ltd. , Plexon ltd·)。其高端陣列通道數為256道(Multichannel System)。神經科學研究的發展對記錄器件提出更高的要求，需要儘可能多的通道數。以視網膜神經信號研究為例，「實驗顯示，神經細胞以合唱的方式而非獨立源的形式處理信息……需要更高通道密度的微電極陣。」 (K. Mathieson, 2003). 現有技術如果用於製造512通道的微電極陣列，單個通道線寬僅1微米(K.MathieSOn， 2004)，常規光刻工藝難以保證質量，需要採用昂貴的電子束曝光工藝。即使這樣以高昂的成本製造的陣列，信號衰減和串擾問題也難以解決。現有的微電極陣列技術遭遇到瓶頸，急需新技術進入。半導體勢陷傳遞電荷包技術產生於上世紀70年代(Boyle and Smith，1970)，這裡簡述該技術如下。分立的金屬電極上施加以電壓作>￥〖，￥1耗盡區生成的閥值電壓)，在半導體界面附近造成耗盡區。該區對於半導體的少子而言是低能態的勢陷，少子傾向於進入該區。該區在熱電流和半導體缺陷影響下會逐漸向平衡狀態轉化，勢陷的維持時間決定了電荷包能夠儲存的時間。施加周期低於該時間的交替電壓，能夠在傳輸電極之間傳遞少子組成的電荷包，將前端信息傳輸到終端。

發明內容
本發明的目的在於，提供一種微電極陣列傳感器，不同於現有微電極陣列以導線傳輸電信號的方式，代之以分立的電荷勢陷傳輸電荷包的技術，使單個傳感器晶片上能夠集成更多的微電極。信號以離散的電荷包形式在傳輸極間傳遞，不僅可以多通道同步傳輸， 而且單個通道內也可以同時傳輸多個電荷包。相比傳統技術，在同樣的晶片面積裡能夠增加幾個數量級的微電極141數量和信息傳輸密度。本發明提供一種微電極陣列傳感器，包括—襯底，該襯底上面的兩側分別有一第一反型區和第二反型區；一源極，製作在第一反型區內，該源極有一引出導線；一輸出極，製作在第二反型區內，該輸出極有一引出導線；一柵氧層，該柵氧層製作在襯底的表面，並暴露出源極和輸出極；多組電極功能區，製作在柵氧層上，源極和輸出極之間，該多組電極功能區均有引出導線；一絕緣層，該絕緣層覆蓋於柵氧層及多組電極功能區的表面。本發明的有益效果是電勢場信號傳感和電荷包傳輸。源極11、襯底10、微電極14 和傳輸極142共同組成場效應器件。電勢場信號通過調製場效應器件控制進入傳輸極142 的電荷包中少子的數量，如此將信息離散化並耦合進傳輸極142、143、144，輸出至器件的讀出電路。場效應器件使用固有電荷增強或者外加電壓偏置，在沒有電勢場信號輸入時，仍保持有固定數量的少子進入電荷包，維持傳感正負電勢場所需的動態範圍。偏置電流會帶來額外的背景噪音，主要成分為散粒噪音(可以採用雙電極，零偏置解決)。偏置電流在很小 PA量級，產生的噪音並不明顯降低陣列的信噪比。電荷包讀出器件。傳輸極144和輸出極12組成一個受控電壓偏置的PN節，在讀出周期內正向偏置，將電荷包傳遞至外部讀出電路。另外還可以在終端增加復位器件，是已有的技術，不做詳述。掃描頻率。神經電信號的頻域分布在IO-IOKHz範圍，因此離散化的採樣周期小於 50微秒，該掃描頻率和周期在現有半導體工藝水平內。


為進一步說明本發明的具體技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如後，其中圖1為現有技術的微電極陣列的結構示意圖；圖2為本發明的微電極陣列的結構示意圖；圖3為應用本發明一實施例的示意圖。
具體實施例方式請參閱圖2所示，本發明提供一種微電極陣列傳感器，包括一襯底10，該襯底10的材料為P型矽或三五族P型半導體，該襯底10的上面的兩側分別有一第一反型區101和第二反型區102。一源極11，製作在第一反型區101內，材料為N型矽或三五族N型半導體，該源極 11有一引出導線；在P型襯底10上注入形成第一反型區101，濺射覆蓋金屬層並刻蝕出引出導線，高溫退火。一輸出極12，製作在第二反型區102內，材料為N型矽或三五族N型半導體，該輸出極12有一引出導線。在P型襯底10上注入形成第二反型區102，濺射覆蓋金屬層並刻蝕出引出導線，高溫退火。輸出極12是一個偏置受控的PN節，經導線連至晶片上集成的運算放大器，將電荷量轉化為電壓信號，並放大，以低阻方式輸出。一柵氧層13，該柵氧層13製作在襯底10的表面，材料為二氧化矽或氮化矽，並暴露出源極11和輸出極12。化學氣相沉積形成柵氧層13，反應等離子刻蝕暴露出源極11和輸出極12。多組電極功能區14，製作在柵氧層13上，源極11和輸出極12之間，多組電極功能區14的反覆出現的數量為100-10000。每一組電極功能區14包括，一微電極141和三個傳輸極142、143、144，並排製作在柵氧層13上，材料為金、鉬、銀、銅、鋁或氧化銦錫，除微電極141外均有引出導線。微電極141位置的電勢場信號調製源極11到傳輸極142之間的電流，對微弱的電勢場信號有初步的放大作用。該部分將連續和微弱的電勢場信號放大並轉化為離散的電荷包。電荷包聚集在傳輸極142下，在時鐘周期的方波電壓控制下移動至下一個傳輸極143，然後是傳輸極144，如此反覆，通過η組傳輸極142n、143n、IMn接力，將電荷包送至輸出極12。微電極141材料為金、鉬、銀、銅、鋁或氧化銦錫。可以選擇在微電極141表面附著鍍層，材料為碳納米管、鉬黑、氧化銥、氮化鈦、氯化銀、聚吡咯或聚乙撐二氧噻吩。鍍層可以增加微電極141的傳感靈敏度、線性區間；可以降低電極阻抗、本底噪音。可以選擇在微電極141表面修飾化學物質，材料為葡萄糖氧化酶、賴氨酸氧化酶或離子選擇性透過膜。修飾層對特定物質敏感，微電極陣列傳感器藉此特異性可以探測出特定物質的濃度和電流密度。—絕緣層15，該絕緣層15覆蓋於柵氧層13及多組電極功能區14表面。材料為二氧化矽或氮化矽。參閱圖3的發明實施例，並結合採用圖2，該微電極陣列傳感器用於探測神經細胞動作電勢場。微電極陣列傳感器上裝配環形的細胞培養皿，其中盛放細胞培養溶液，其中的溫度、氧氣、二氧化碳等通過外部系統(例如細胞培養箱)進行控制，維持神經細胞所需的生理指標。培養的神經細胞覆蓋在微電極141表面，與微電極粘附耦合在一起。活的神經細胞自發進行相互間信息傳遞和處理，產生的神經電活動形成局部場電勢，電勢的變化影響對應位置的源極11流向傳輸極142的電流，繼而在固定的掃描周期內形成電荷數量不一的電荷包。電荷量反映局部場電勢的變化。電荷量經過傳輸、轉換和放大，得到對研究者有用的電壓變化時間曲線。現有微電極陣列傳感器(圖1)需要等於微電極數量的引出導線，集成10000個微電極，相應的需要10000條引出導線，而本發明採用離散的電荷包並行傳輸技術，可以有效地減少引出導線數量。下面以一集成10000組微電極的實施例來說明。該微電極陣列傳感器有10000組微電極141，不需要引出導線；10000組源極11電氣連接在一起，因此僅需要 1條引出導線；10000組傳輸極142、143和144僅需要3條引出導線。每個傳輸極12可以串行傳輸100通道數據，需要100個傳輸極12。總計10000組微電極僅需要104條引出導線。引出導線數量僅為現有微電極陣列的1.04%，增加了傳感器的微電極數量和有效傳感區域。本發明可以應用在需要探測電勢場的空間和時間分布的領域，例如生物體場電勢 (腦電圖、肌電圖)、水體場電勢分布、溶液電勢分布(溶膠離子分布)等。這裡的具體應用例子為，探測體外培養的神經細胞的動作電位場分布。該技術可以被用來檢測藥物對神經的作用、研究神經網絡機理研究、構建體外生物計算機等很多方面。
以上所述，僅是本發明的實施例而已，並非對本發明作任何形式上的的限制，凡是依據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案範圍之內，因此本發明的保護範圍當以權利要求書為準。
權利要求
1.一種微電極陣列傳感器，包括一襯底，該襯底上面的兩側分別有一第一反型區和第二反型區；一源極，製作在第一反型區內，該源極有一引出導線；一輸出極，製作在第二反型區內，該輸出極有一引出導線；一柵氧層，該柵氧層製作在襯底的表面，並暴露出源極和輸出極；多組電極功能區，製作在柵氧層上，源極和輸出極之間，該多組電極功能區均有引出導線.一入 ，一絕緣層，該絕緣層覆蓋於柵氧層及多組電極功能區的表面。
2.根據權利要求1所述的微電極陣列傳感器，其中多組電極功能區的數量為 100-10000，每一組電極功能區包括，一微電極和三個傳輸極，並排製作在柵氧層上，材料為金、鉬、銀、銅、鋁或氧化銦錫。
3.根據權利要求1所述的微電極陣列傳感器，其中襯底的材料為P型矽或三五族P型半導體。
4.根據權利要求1所述的微電極陣列傳感器，其中源極和輸出極的材料為N型矽或三五族N型半導體。
5.根據權利要求1所述的微電極陣列傳感器，其中柵氧層的材料為二氧化矽或氮化娃。
6.根據權利要求1所述的微電極陣列傳感器，其中電極功能區的材料為金、鉬、銀、銅或鋁。
7.根據權利要求1所述的微電極陣列傳感器，其中絕緣層的材料為二氧化矽或氮化娃。
全文摘要
一種微電極陣列傳感器，包括一襯底，該襯底上面的兩側分別有一第一反型區和第二反型區；一源極，製作在第一反型區內，該源極有一引出導線；一輸出極，製作在第二反型區內，該輸出極有一引出導線；一柵氧層，該柵氧層製作在襯底的表面，並暴露出源極和輸出極；多組電極功能區，製作在柵氧層上，源極和輸出極之間，該多組電極功能區均有引出導線；一絕緣層，該絕緣層覆蓋於柵氧層及多組電極功能區的表面。
文檔編號G01N27/327GK102495121SQ20111043031
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月20日 優先權日2011年12月20日
發明者歸強, 李雷, 湯戎昱, 裴為華, 陳弘達 申請人:中國科學院半導體研究所