[发明专利]细胞电生理集成芯片和制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及细胞生理学，细胞传感器以及集成芯片技术，具体涉及一种细胞电生理集成芯片和制作方法。

背景技术

传统的神经电生理检测基本采用微电极进行细胞内记录，或者应用膜片钳(patch clamp)技术，将内装电极的玻璃毛细管紧贴于细胞膜，在吸破细胞膜后进行全细胞记录。微电极和膜片钳所存在的问题主要在于：用微电极刺入细胞或者钳制细胞，都会对细胞造成一定的损害，并导致细胞在很短的时间内死亡，限制了对动作电位以及离子通道电流记录的实时检测；同时，可供选择采集信号的细胞数较少，并且难以确定突触的确切位置，所记录到的信号难以具有代表性；另外，由于技术上的限制，膜片钳技术目前仍难以实现对多个神经元进行同步测量。胞外信号检测方法由于可以实现无损，长时程的测量而受到越来越多的关注，但是，在进行细胞生理实验时，对单一参数的监测往往只能从某一方面反映出细胞的生理活动，而测试环境的复杂性(各种噪声源、长期测试后培养液对电极的腐蚀等)会干扰测试的结果，所以对细胞生理活动的机理的揭示则需要同时对多种相关的生理参数进行综合分析才能完成。目前，现有仪器或器件功能单一，指标不够稳定(信噪比较低，参考对照方法较少)，且不能实现多参数同时检测，成为快速细胞生理分析发展的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是提供一种细胞电生理集成芯片和制作方法，将细胞生化参数和电生理参数检测集成于一体，克服细胞生理参数的同时测试的难题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

1、一种细胞电生理集成芯片：

在Si基底正面中间集成MEA微电极阵列，在MEA微电极阵列两侧分别集成IDA叉指电极和LAPS光寻址电位传感器，在MEA微电极阵列另外两侧分别对称设置参考电极。

所述的IDA叉指电极为梳状的叉指电极对，单个叉指电极中间为暴露出的Au电极以及下面Cr黏附层，周围高出部分为SiO₂或Si₃N₄绝缘保护层，下面依次分别为SiO₂层和Si基底。

所述的MEA微电极阵列为6排正方形电极孔阵列，单个微电极结构与前所述IDA叉指电极的单个叉指电极结构相同。

所述的LAPS光寻址电位传感器结构分为4层，依次分别为Si₃N₄层，SiO₂层，Si基底以及Al层。

2、一种细胞电生理集成芯片的制作方法：

MEA微电极阵列制备过程为：采用标准半导体制作工艺，先溅射300nm的Au到硅片基底上，再采用剥离技术形成Au电极，为了和绝缘层贴合需加一层30nm的Ti、Cr或Ni层，最后做Si₃N₄或聚酰亚胺绝缘保护层，并蚀刻出电极孔；

IDA叉指电极制备过程为：采用多层光刻工艺加工电极，电极表面的叉指对为暴露出的Au电极，引线部分除了焊盘外均覆盖由等离子体气相沉积技术形成的SiO₂的绝缘层，并刻蚀出有效细胞贴附区；

LAPS光寻址电位传感器制备过程为：  在Si基片上采用深法刻蚀技术将LAPS区域的氧化层干法刻蚀掉，然后采用等离子体气相沉积技术先后生长一层SiO₂层和Si₃N₄层；将基底Si基片背面的氧化层用HF溶液腐蚀掉，正面用光刻胶进行保护；然后在硅片背面溅射一层Al层作欧姆接触，完成集成芯片LAPS光寻址电位传感器的制作；

参考电极制备过程为：采用标准半导体制作工艺，先溅射300nm的Au到硅片基底上，再采用剥离技术形成金电极，为了和绝缘层贴合需加一层30nm的Ti、Cr或Ni层，最后做Si₃N₄或聚酰亚胺绝缘保护层，并蚀刻出参考电极。

在集成芯片上分别集成了微电极阵列传感器(microelectrode array，MEA)，光寻址电位传感器(light-addressable potentiometric sensor，LAPS)和叉指型细胞—阻抗传感器(interdigital sensor，IDA)三种传感器。集成芯片各部分同时工作，通过表面处理在集成芯片上培养了心肌细胞、嗅觉细胞等具有电生理活性的细胞，配合流动注射技术连续监测细胞从正常生理状态到药物刺激下的形态变化、动作电位以及代谢物质的改变。

本发明具有的有益效果是：