[發(fā)明專利]微電極陣列傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110430312.2
• 申請(qǐng)日: 2011-12-20
• 公開（公告）號(hào): CN102495121A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 湯戎昱;裴為華;歸強(qiáng);李雷;陳弘達(dá)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號(hào): G01N27/403
• 分類號(hào): G01N27/403;G01N27/327
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 湯保平

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。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。

現(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)?，F(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(V＞Vt，Vt：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：

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。

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10-10KHz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)。

附圖說明