[发明专利]集光电极和微电极一体的生物神经芯片及其制备方法

说明书

本发明涉及半导体器件的技术领域，更具体地，涉及集光电极和微电极一体的生物神经芯片及其制备方法。该芯片的具体结构包括光电极部分以及微电极部分，光电极部分利用发光二极管发出470nm的光，刺激神经细胞产生神经电流信号，再由光电极附近的微电极部分接收神经信号电位变化，从而探测外加信号对神经细胞的影响，进而研究生物行为。光电极部分包括氮化镓基发光二极管、金属电极、透明导电层、温度传感器、金属线路和PAD电极；微电极部分包括透明薄膜电极或金属电极、金属线路和PAD电极。本发明将光电极和微电极集成一体，具有尺寸小、测试精度高、转换效率高、易植入生物体内等特点，实现了对神经细胞进行光刺激的同时进行神经电位的测量。

技术领域

本发明涉及半导体器件的技术领域，更具体地，涉及集光电极和微电极一体的生物神经芯片及其制备方法。

背景技术

20世纪以来，人类对于生物体细胞的研究飞速发展，电生理学方面的研究极大地促进了人们对个别单一神经细胞的功能活动、神经元膜的生理物理特性、以及有关个别神经元在神经元回路中的位置和作用的研究。人们对于神经系统的认识不断完善，并着手通过神经的电活动来治疗神经方面的疾病。传统的电生理学实验，都需要通过电刺激神经元实验。电刺激的缺点在于其强度过大、容易引起局部神经组织的温度过高，造成神经系统损害；此外，电刺激一般作用范围较大，其精确性难以控制，因此，人们尝试寻找其他可替代的技术。

光遗传技术是一项正在迅速发展的多学科交叉的生物技术，它利用光刺激光感基因，实现外界信息的写入，借助光电极阵列技术实现特定行为下的电生理信息读取，进而解析某一神经区域的功能特征以及与生物表现行为的联系。光遗传技术采用的光刺激，能有效地作用于特定个别神经元，光脉冲速度可达亚毫秒级，与电脉冲相仿。

光遗传技术主要是通过刺激光敏感通道蛋白（ChR2）和嗜盐菌紫质（NpHR）这两种光敏蛋白来实现控制的。其中，光敏感通道蛋白（ChR2）对470nm的光刺激最为敏感，能够引起神经兴奋；嗜盐菌紫质（NpHR）对580nm的光刺激最为敏感，能够抑制神经兴奋。本发明采用的主要是对光敏感通道蛋白的控制，即我们采用的是470nm附近的蓝光器件。

目前，光遗传技术背景下研发的半导体神经芯片大多只能实现记录功能，其光刺激大部分由记录位置附近的光纤传导提供。这种方法传导的光刺激转化效率低，且作用位置准确性不足。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供集光电极和微电极一体的生物神经芯片及其制备方法，将光遗传技术中所需发光信号与接收电信号结合一起。

本发明的技术方案是：集光电极和微电极一体的生物神经芯片，其中，包括光电极部分以及微电极部分，光电极部分利用发光二极管发出470nm的光，刺激神经细胞产生神经电流信号，再由光电极附近的微电极部分接收神经信号电位变化，从而探测外加信号对神经细胞的影响，进而研究生物行为。所述的光电极部分包括氮化镓基发光二极管、金属电极、透明导电层、温度传感器、金属线路和PAD电极；微电极部分包括透明薄膜电极或金属电极、金属线路和PAD电极。

进一步地，所述的光电极所使用的外延叠层，其材料可以是氮化镓，铟铝镓氮等材料，适用于发出470nm的光信号；其外延叠层上的透明薄膜导电层，可以是氧化铟锡、铟镓锌氧化物、氧化锌、氧化铱、薄Ni/Au等任何透光导电材料；光电极所采用的n极和p极金属电极，可以是Ni/Au、Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au等合金。

进一步地，所述的微电极所采用的材料，根据其与光电极的相对位置，可以是透明的，也可以是不透明的；透明微电极所采用的金属材料，可以是ITO、IGZO、ZnO、IrO、薄Ni/Au等透明材料；不透明微电极所采用的金属材料，可以是厚Ni/Au、Ti/Au、Cr/Au等合金。其生长方法为电子束蒸发、金属有机化学气相沉积、磁控溅射等；