[发明专利]微电极阵列传感器

说明书

技术领域

本发明涉及分布电势场传感和生物电生理检测领域，特别涉及一种微电极阵列传感器。

背景技术

微电极阵列传感器广泛应用在分布电势场传感和生物电生理检测领域中，特别是应用在神经电生理学研究中记录神经电信号。微电极阵列传感器的工作原理为：溶液中的离子与电极中的电子在微电极界面上存在电场耦合，微电极附近的电势场因此能够被探测并传输到外部电路完成信号记录。现有的微电极阵列传感器的典型结构参见图1。在绝缘衬底上排布多组微电极，每个微电极由导线引出，其上覆盖绝缘层，仅暴露出微电极和导线的焊盘。这样的微电极阵列传感器每个微电极需要配置单独的引出导线，占有不可复用的器件空间。

现有技术生产的微电极阵列在通道数的提高上具有瓶颈。因为平面工艺限制了每个微电极及其导电通路能够占用的面积，增加通道数就意味着减小分配给每个微电极的面积和电极的间距，而这样做的结果是传输信号的衰减和信道间的串扰增加。以国际市场上的几家高端微电极阵列生产商为例，它们生产的主流微电极阵列通道数分别为：60道(MultiChannel System ltd.)，64道(Med64Panasonic ltd.，Plexon ltd.)。其高端阵列通道数为：256道(MultiChannel System)。神经科学研究的发展对记录器件提出更高的要求，需要尽可能多的通道数。以视网膜神经信号研究为例，“实验显示，神经细胞以合唱的方式而非独立源的形式处理信息……需要更高通道密度的微电极阵。”(K.Mathieson，2003)。现有技术如果用于制造512通道的微电极阵列，单个通道线宽仅1微米(K.Mathieson，2004)，常规光刻工艺难以保证质量，需要采用昂贵的电子束曝光工艺。即使这样以高昂的成本制造的阵列，信号衰减和串扰问题也难以解决。现有的微电极阵列技术遭遇到瓶颈，急需新技术进入。

半导体势陷传递电荷包技术产生于上世纪70年代(Boyle and Smith，1970)，这里简述该技术如下。分立的金属电极上施加以电压(V＞Vt，Vt：耗尽区生成的阀值电压)，在半导体界面附近造成耗尽区。该区对于半导体的少子而言是低能态的势陷，少子倾向于进入该区。该区在热电流和半导体缺陷影响下会逐渐向平衡状态转化，势陷的维持时间决定了电荷包能够储存的时间。施加周期低于该时间的交替电压，能够在传输电极之间传递少子组成的电荷包，将前端信息传输到终端。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种微电极阵列传感器，不同于现有微电极阵列以导线传输电信号的方式，代之以分立的电荷势陷传输电荷包的技术，使单个传感器芯片上能够集成更多的微电极。信号以离散的电荷包形式在传输极间传递，不仅可以多通道同步传输，而且单个通道内也可以同时传输多个电荷包。相比传统技术，在同样的芯片面积里能够增加几个数量级的微电极141数量和信息传输密度。

本发明提供一种微电极阵列传感器，包括：

一衬底，该衬底上面的两侧分别有一第一反型区和第二反型区；

一源极，制作在第一反型区内，该源极有一引出导线；

一输出极，制作在第二反型区内，该输出极有一引出导线；

一栅氧层，该栅氧层制作在衬底的表面，并暴露出源极和输出极；

多组电极功能区，制作在栅氧层上，源极和输出极之间，该多组电极功能区均有引出导线；

一绝缘层，该绝缘层覆盖于栅氧层及多组电极功能区的表面。

本发明的有益效果是：电势场信号传感和电荷包传输。源极11、衬底10、微电极14和传输极142共同组成场效应器件。电势场信号通过调制场效应器件控制进入传输极142的电荷包中少子的数量，如此将信息离散化并耦合进传输极142、143、144，输出至器件的读出电路。场效应器件使用固有电荷增强或者外加电压偏置，在没有电势场信号输入时，仍保持有固定数量的少子进入电荷包，维持传感正负电势场所需的动态范围。偏置电流会带来额外的背景噪音，主要成分为散粒噪音(可以采用双电极，零偏置解决)。偏置电流在很小pA量级，产生的噪音并不明显降低阵列的信噪比。

电荷包读出器件。传输极144和输出极12组成一个受控电压偏置的PN节，在读出周期内正向偏置，将电荷包传递至外部读出电路。另外还可以在终端增加复位器件，是已有的技术，不做详述。

扫描频率。神经电信号的频域分布在10-10KHz范围，因此离散化的采样周期小于50微秒，该扫描频率和周期在现有半导体工艺水平内。

附图说明