專(zhuān)利名稱(chēng)：微電極陣列傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分布電勢(shì)場(chǎng)傳感和生物電生理檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種微電極陣列傳感器。
背景技術(shù)：
微電極陣列傳感器廣泛應(yīng)用在分布電勢(shì)場(chǎng)傳感和生物電生理檢測(cè)領(lǐng)域中，特別是應(yīng)用在神經(jīng)電生理學(xué)研究中記錄神經(jīng)電信號(hào)。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(chǎng)耦合，微電極附近的電勢(shì)場(chǎng)因此能夠被探測(cè)并傳輸?shù)酵獠侩娐吠瓿尚盘?hào)記錄?，F(xiàn)有的微電極陣列傳感器的典型結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1。在絕緣襯底上排布多組微電極，每個(gè)微電極由導(dǎo)線引出，其上覆蓋絕緣層，僅暴露出微電極和導(dǎo)線的焊盤(pán)。這樣的微電極陣列傳感器每個(gè)微電極需要配置單獨(dú)的引出導(dǎo)線，占有不可復(fù)用的器件空間?，F(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的微電極陣列在通道數(shù)的提高上具有瓶頸。因?yàn)槠矫婀に囅拗屏嗣總€(gè)微電極及其導(dǎo)電通路能夠占用的面積，增加通道數(shù)就意味著減小分配給每個(gè)微電極的面積和電極的間距，而這樣做的結(jié)果是傳輸信號(hào)的衰減和信道間的串?dāng)_增加。以國(guó)際市場(chǎng)上的幾家高端微電極陣列生產(chǎn)商為例，它們生產(chǎn)的主流微電極陣列通道數(shù)分別為60道 (Multichannel System ltd·)，64 道(Med64Panasonic ltd. , Plexon ltd·)。其高端陣列通道數(shù)為256道(Multichannel System)。神經(jīng)科學(xué)研究的發(fā)展對(duì)記錄器件提出更高的要求，需要盡可能多的通道數(shù)。以視網(wǎng)膜神經(jīng)信號(hào)研究為例，“實(shí)驗(yàn)顯示，神經(jīng)細(xì)胞以合唱的方式而非獨(dú)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(xiàn)有技術(shù)如果用于制造512通道的微電極陣列，單個(gè)通道線寬僅1微米(K.MathieSOn， 2004)，常規(guī)光刻工藝難以保證質(zhì)量，需要采用昂貴的電子束曝光工藝。即使這樣以高昂的成本制造的陣列，信號(hào)衰減和串?dāng)_問(wèn)題也難以解決?，F(xiàn)有的微電極陣列技術(shù)遭遇到瓶頸，急需新技術(shù)進(jìn)入。半導(dǎo)體勢(shì)陷傳遞電荷包技術(shù)產(chǎn)生于上世紀(jì)70年代(Boyle and Smith，1970)，這里簡(jiǎn)述該技術(shù)如下。分立的金屬電極上施加以電壓作>￥〖，￥1耗盡區(qū)生成的閥值電壓)，在半導(dǎo)體界面附近造成耗盡區(qū)。該區(qū)對(duì)于半導(dǎo)體的少子而言是低能態(tài)的勢(shì)陷，少子傾向于進(jìn)入該區(qū)。該區(qū)在熱電流和半導(dǎo)體缺陷影響下會(huì)逐漸向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化，勢(shì)陷的維持時(shí)間決定了電荷包能夠儲(chǔ)存的時(shí)間。施加周期低于該時(shí)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?shù)浇K端。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種微電極陣列傳感器，不同于現(xiàn)有微電極陣列以導(dǎo)線傳輸電信號(hào)的方式，代之以分立的電荷勢(shì)陷傳輸電荷包的技術(shù)，使單個(gè)傳感器芯片上能夠集成更多的微電極。信號(hào)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(gè)通道內(nèi)也可以同時(shí)傳輸多個(gè)電荷包。相比傳統(tǒng)技術(shù)，在同樣的芯片面積里能夠增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)的微電極141數(shù)量和信息傳輸密度。本發(fā)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(cè)分別有一第一反型區(qū)和第二反型區(qū)；一源極，制作在第一反型區(qū)內(nèi)，該源極有一引出導(dǎo)線；一輸出極，制作在第二反型區(qū)內(nèi)，該輸出極有一引出導(dǎo)線；一柵氧層，該柵氧層制作在襯底的表面，并暴露出源極和輸出極；多組電極功能區(qū)，制作在柵氧層上，源極和輸出極之間，該多組電極功能區(qū)均有引出導(dǎo)線；一絕緣層，該絕緣層覆蓋于柵氧層及多組電極功能區(qū)的表面。本發(fā)明的有益效果是電勢(shì)場(chǎng)信號(hào)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(chǎng)效應(yīng)器件。電勢(shì)場(chǎng)信號(hào)通過(guò)調(diào)制場(chǎng)效應(yīng)器件控制進(jìn)入傳輸極142 的電荷包中少子的數(shù)量，如此將信息離散化并耦合進(jìn)傳輸極142、143、144，輸出至器件的讀出電路。場(chǎng)效應(yīng)器件使用固有電荷增強(qiáng)或者外加電壓偏置，在沒(méi)有電勢(shì)場(chǎng)信號(hào)輸入時(shí)，仍保持有固定數(shù)量的少子進(jìn)入電荷包，維持傳感正負(fù)電勢(shì)場(chǎng)所需的動(dòng)態(tài)范圍。偏置電流會(huì)帶來(lái)額外的背景噪音，主要成分為散粒噪音(可以采用雙電極，零偏置解決)。偏置電流在很小 PA量級(jí)，產(chǎn)生的噪音并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(gè)受控電壓偏置的PN節(jié)，在讀出周期內(nèi)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(fù)位器件，是已有的技術(shù)，不做詳述。掃描頻率。神經(jīng)電信號(hào)的頻域分布在IO-IOKHz范圍，因此離散化的采樣周期小于 50微秒，該掃描頻率和周期在現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝水平內(nèi)。


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明如后，其中圖1為現(xiàn)有技術(shù)的微電極陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的微電極陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為應(yīng)用本發(fā)明一實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖2所示，本發(fā)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型硅或三五族P型半導(dǎo)體，該襯底10的上面的兩側(cè)分別有一第一反型區(qū)101和第二反型區(qū)102。一源極11，制作在第一反型區(qū)101內(nèi)，材料為N型硅或三五族N型半導(dǎo)體，該源極 11有一引出導(dǎo)線；在P型襯底10上注入形成第一反型區(qū)101，濺射覆蓋金屬層并刻蝕出引出導(dǎo)線，高溫退火。一輸出極12，制作在第二反型區(qū)102內(nèi)，材料為N型硅或三五族N型半導(dǎo)體，該輸出極12有一引出導(dǎo)線。在P型襯底10上注入形成第二反型區(qū)102，濺射覆蓋金屬層并刻蝕出引出導(dǎo)線，高溫退火。輸出極12是一個(gè)偏置受控的PN節(jié)，經(jīng)導(dǎo)線連至芯片上集成的運(yùn)算放大器，將電荷量轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并放大，以低阻方式輸出。一柵氧層13，該柵氧層13制作在襯底10的表面，材料為二氧化硅或氮化硅，并暴露出源極11和輸出極12?；瘜W(xué)氣相沉積形成柵氧層13，反應(yīng)等離子刻蝕暴露出源極11和輸出極12。多組電極功能區(qū)14，制作在柵氧層13上，源極11和輸出極12之間，多組電極功能區(qū)14的反復(fù)出現(xiàn)的數(shù)量為100-10000。每一組電極功能區(qū)14包括，一微電極141和三個(gè)傳輸極142、143、144，并排制作在柵氧層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(dǎo)線。微電極141位置的電勢(shì)場(chǎng)信號(hào)調(diào)制源極11到傳輸極142之間的電流，對(duì)微弱的電勢(shì)場(chǎng)信號(hào)有初步的放大作用。該部分將連續(xù)和微弱的電勢(shì)場(chǎng)信號(hào)放大并轉(zhuǎn)化為離散的電荷包。電荷包聚集在傳輸極142下，在時(shí)鐘周期的方波電壓控制下移動(dòng)至下一個(gè)傳輸極143，然后是傳輸極144，如此反復(fù)，通過(guò)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(qū)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(xué)物質(zhì)，材料為葡萄糖氧化酶、賴(lài)氨酸氧化酶或離子選擇性透過(guò)膜。修飾層對(duì)特定物質(zhì)敏感，微電極陣列傳感器借此特異性可以探測(cè)出特定物質(zhì)的濃度和電流密度。—絕緣層15，該絕緣層15覆蓋于柵氧層13及多組電極功能區(qū)14表面。材料為二氧化硅或氮化硅。參閱圖3的發(fā)明實(shí)施例，并結(jié)合采用圖2，該微電極陣列傳感器用于探測(cè)神經(jīng)細(xì)胞動(dòng)作電勢(shì)場(chǎng)。微電極陣列傳感器上裝配環(huán)形的細(xì)胞培養(yǎng)皿，其中盛放細(xì)胞培養(yǎng)溶液，其中的溫度、氧氣、二氧化碳等通過(guò)外部系統(tǒng)(例如細(xì)胞培養(yǎng)箱)進(jìn)行控制，維持神經(jīng)細(xì)胞所需的生理指標(biāo)。培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)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(jīng)細(xì)胞自發(fā)進(jìn)行相互間信息傳遞和處理，產(chǎn)生的神經(jīng)電活動(dòng)形成局部場(chǎng)電勢(shì)，電勢(shì)的變化影響對(duì)應(yīng)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(nèi)形成電荷數(shù)量不一的電荷包。電荷量反映局部場(chǎng)電勢(shì)的變化。電荷量經(jīng)過(guò)傳輸、轉(zhuǎn)換和放大，得到對(duì)研究者有用的電壓變化時(shí)間曲線。現(xiàn)有微電極陣列傳感器(圖1)需要等于微電極數(shù)量的引出導(dǎo)線，集成10000個(gè)微電極，相應(yīng)的需要10000條引出導(dǎo)線，而本發(fā)明采用離散的電荷包并行傳輸技術(shù)，可以有效地減少引出導(dǎo)線數(shù)量。下面以一集成10000組微電極的實(shí)施例來(lái)說(shuō)明。該微電極陣列傳感器有10000組微電極141，不需要引出導(dǎo)線；10000組源極11電氣連接在一起，因此僅需要 1條引出導(dǎo)線；10000組傳輸極142、143和144僅需要3條引出導(dǎo)線。每個(gè)傳輸極12可以串行傳輸100通道數(shù)據(jù)，需要100個(gè)傳輸極12。總計(jì)10000組微電極僅需要104條引出導(dǎo)線。引出導(dǎo)線數(shù)量?jī)H為現(xiàn)有微電極陣列的1.04%，增加了傳感器的微電極數(shù)量和有效傳感區(qū)域。本發(fā)明可以應(yīng)用在需要探測(cè)電勢(shì)場(chǎng)的空間和時(shí)間分布的領(lǐng)域，例如生物體場(chǎng)電勢(shì) (腦電圖、肌電圖)、水體場(chǎng)電勢(shì)分布、溶液電勢(shì)分布(溶膠離子分布)等。這里的具體應(yīng)用例子為，探測(cè)體外培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)胞的動(dòng)作電位場(chǎng)分布。該技術(shù)可以被用來(lái)檢測(cè)藥物對(duì)神經(jīng)的作用、研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)理研究、構(gòu)建體外生物計(jì)算機(jī)等很多方面。
以上所述，僅是本發(fā)明的實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案范圍之內(nèi)，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書(shū)為準(zhǔn)。
權(quán)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(cè)分別有一第一反型區(qū)和第二反型區(qū)；一源極，制作在第一反型區(qū)內(nèi)，該源極有一引出導(dǎo)線；一輸出極，制作在第二反型區(qū)內(nèi)，該輸出極有一引出導(dǎo)線；一柵氧層，該柵氧層制作在襯底的表面，并暴露出源極和輸出極；多組電極功能區(qū)，制作在柵氧層上，源極和輸出極之間，該多組電極功能區(qū)均有引出導(dǎo)線.一入 ，一絕緣層，該絕緣層覆蓋于柵氧層及多組電極功能區(qū)的表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電極陣列傳感器，其中多組電極功能區(qū)的數(shù)量為 100-10000，每一組電極功能區(qū)包括，一微電極和三個(gè)傳輸極，并排制作在柵氧層上，材料為金、鉬、銀、銅、鋁或氧化銦錫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電極陣列傳感器，其中襯底的材料為P型硅或三五族P型半導(dǎo)體。
4.根據(jù)權(quán)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型硅或三五族N型半導(dǎo)體。
5.根據(jù)權(quán)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硅或氮化娃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電極陣列傳感器，其中電極功能區(qū)的材料為金、鉬、銀、銅或鋁。
7.根據(jù)權(quán)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硅或氮化娃。
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(cè)分別有一第一反型區(qū)和第二反型區(qū)；一源極，制作在第一反型區(qū)內(nèi)，該源極有一引出導(dǎo)線；一輸出極，制作在第二反型區(qū)內(nèi)，該輸出極有一引出導(dǎo)線；一柵氧層，該柵氧層制作在襯底的表面，并暴露出源極和輸出極；多組電極功能區(qū)，制作在柵氧層上，源極和輸出極之間，該多組電極功能區(qū)均有引出導(dǎo)線；一絕緣層，該絕緣層覆蓋于柵氧層及多組電極功能區(qū)的表面。
文檔編號(hào)G01N27/327GK102495121SQ20111043031
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者歸強(qiáng), 李雷, 湯戎昱, 裴為華, 陳弘達(dá) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所