[发明专利]用于细胞生化信号检测和调控的多功能电极阵列系统

说明书

本发明涉及一种用于细胞生化信号检测和调控的多功能电极阵列系统，包括N×N阵列模块、TDC计数模块、阵列供电LDO模块、电刺激发生器、行列选择控制模块、有限状态机和数字控制逻辑模块；所述的N×N阵列模块，由N×N个像素单元组合而成，用于与神经细胞接触，并将采集到的模拟信号转为脉冲宽度调制信号(PWM波)；所述的TDC计数模块，用于将阵列中的脉冲宽度调制信号(PWM波)转换为数字信号，并传输至有限状态机和数字控制逻辑模块。通过在前端阵列中集成四种不同功能的模拟单元并设计相应的系统读出架构，消除像素内干扰，同时检测多种离子，提高芯片功能的复杂度，降低系统功耗，为生物检测提供便利的检测平台。

技术领域

本发明涉及模拟集成电路技术领域，特别是一种用于细胞生化信号检测和调控的多功能电极阵列系统。

背景技术

神经细胞在产生动作的过程中伴随着复杂的电学和化学现象，获取详细的神经信号有助于进一步研究神经细胞。同时，神经电刺激调控能够根据需求，给予神经细胞特定的刺激，再结合传感部分，实现对神经细胞的闭环系统分析。要实现集成化的传感调控系统，满足细胞级的分辨率，需要微型化的传感调控平台。而集成电路技术利用先进的微纳加工技术，能够在单块芯片上实现微型复杂系统的集成，因此被广泛应用在神经科学中，其中，集成多种功能于一体的高密度、大规模、多功能神经生物芯片能够全面的获取神经信号，满足不同应用场景下的需求，具有良好的发展前景。

目前基于集成电路的生物芯片存在以下问题：1、功能单一，多种功能集成在一起，增加了系统的复杂度和设计难度；2、多种功能不能并行。由于不同的信号检测电极之间存在相互干扰，生物电信号和化学信号不能并行检测，限制了获取的信号维度；3、空间分辨率不足。高空间分辨率的神经生物芯片可以获取单个神经元的动作电位，有利于对神经信号进行进一步的解析，但是将多种功能集成在一起时，单个像素单元的面积将增加，同时相互干扰也会增加；4、阵列规模受限，大规模阵列具有更高的数据，需要更高性能的系统设计；5、能耗过大，信息冗余，阵列中部分电极上并非附着神经细胞，该部分电极采集到的信号冗余，浪费了电路能耗。

生物芯片的发展亟需大规模的检测阵列来同时采集更多的神经元信号，进一步分析神经之间的协同工作，但扩大芯片阵列规模会导致芯片的功耗和数据量增加，限制了规模的进一步扩展。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于神经信号采集的多功能芯片,集成神经电信号检测、神经化学信号检测、光学检测、神经电刺激的多功能、多模态、双向交互的神经多电极芯片，解决阵列芯片中的多模态并行、分辨率、规模、功耗问题，提升系统集成度。

本发明的技术解决方案如下：

本发明提出了一种用于细胞生化信号检测和调控的多功能电极阵列系统，其特点在于，包括N×N阵列模块、TDC计数模块、阵列供电LDO模块、电刺激发生器、行列选择控制模块、有限状态机和数字控制逻辑模块；

所述的N×N阵列模块，由N×N个像素单元组合而成，用于与神经细胞接触，并将采集到的模拟信号转为脉冲宽度调制信号(PWM波)；

所述的TDC计数模块，用于将阵列中的脉冲宽度调制信号(PWM波)转换为数字信号，并传输至有限状态机和数字控制逻辑模块；

所述的阵列供电LDO模块，用于给所述的N×N阵列模块的供电；

所述的电刺激发生器，用于给所述的N×N阵列模块中产生电信号的刺激，并通过所述的行列选择控制模块，选择性打开像素刺激的开关，进行单个点位的刺激；

所述的行列选择控制模块，用于调控所述的N×N阵列模块的工作次序和单个像素的工作状态；

所述的有限状态机和数字控制逻辑模块，用于接收外部PC控制信号，并根据指令内容，控制N×N阵列模块的工作状态，完成系统中的各个校准，将TDC计数模块发出的并行数字信号转换为串行信号，输出至外部PC。