科研项目
当前位置  >  科研项目

基于MEMS技术的微电极阵列医用传感器研发

基于MEMS技术的微电极阵列医用传感器研发      

         生物医学传感器技术是获取生物生理和病理信息的关键技术,目前生物医学传感器的研究正向微型集成系统方向发展。基于微型集成系统技术的生物医学传感器采用微电子机械系统(MEMS)技术和超大规模集成电路(VLSI)技术,将传感器和信号处理器集成于一体,具有体积小、成本低、功能强、使用方便等特点,将成为生物医学传感器的龙头产品。

在欧洲,北美及韩日等国家,该领域已经得到国家和私营研发公司的充分重视,并有部分研发结果已经进入到临床试验阶段。在我国,该行业刚刚起步,大多数高校和国家科研机构还处于早期发展阶段,而众多私营研发公司没有意识到该领域的重要性及其潜在的市场。

该领域产品的开发具有高投入、高科技与开发周期长等特点。缺乏优秀的开发团队和研发设备使得我国在该领域比发达国家要落后很多。针对上述情况和目前国内的市场运营特点,我所组织十 几名专家队伍,通过与美国CRX Innovation科研公司和 美国UCLA及Temple大学的长期合作,经过四年多的研发,已成功研发出第一代基于微型集成系统技术的用于测量神经细胞动作电势的测量仪器。本项目是在第一代雏型产品的基础上借助MEMS和VLSI等技术对测量神经细胞动作电势的微型传感器系统进行深入研发和改进,以推出第二代产品并将其市场化。

  目前细胞外测量技术主要是采用微电极阵列(MEA)。与膜片钳技术相比,微电极阵列的最大优点是可以对细胞间的信号耦联和传导,从而进行长期、实时、无损的动作电势测量。但传统微电极阵列测量系统是在传感区域制作密度较高的电极阵列, 依靠片外电路处理电极上感应的信号。这种方法可以实现高密度传感阵列, 但需要配备外接专用或通用的信号放大及处理设备使用。引入外接信号放大及处理设备会导致电极引线间信号串扰以及长距离走线引起信号损耗, 影响测量精度,同时目前国内外商用的信号放大及处理设备都是体积较大且笨重,同时价格昂贵的通用设备。微电子机械系统(MEMS)技术与CMOS专用集成电路(ASIC) 技术的结合,为细胞外测量技术提供了更广阔的发展空间。MEMS技术可以提高用于测量可兴奋神经细胞动作电势的传感器的阵列密度,同时CMOS-ASIC技术可以实现神经信号的后端处理,将二者结合在一起,可以实现微阵列传感器与后端信号处理电路的单片化集成或倒装芯片的系统集成,从而使一个具备神经信号测量和后端处理功能的微测量系统成为可能。这种封装后的微测量系统在很大程度上提高了测量的效率和精度,满足了神经细胞电生理研究的需要。本项目的研究定位在MEMS,微电子和生物技术的交叉学科方向,进行开拓性探索和尝试。

          基于MEMS技术的高密度微电极阵列是神经信号微测量系统的传感器,即神经信号微测量系统的核心部件之一。在本项目中,我所将采用硅衬底的MEMS技术研制出平面微电极阵列和三维立体排布密集有序的微电极阵列。在进行微电极阵列尺寸和材料设计时,将充分考虑所需的微电极机械强度、柔性、工作环境和制作复杂度等问题。其中影响器件最终性能的三个最重要的因素分别为:(a) 器件的生物兼容性;(b) 微电极阵列记录点的传输信噪比(S/N) ;(c) 器件在生理环境中的稳定性。在微电极阵列的制作过程中,我们将使用化学气相沉积(CVD) ;等离子增强化学气相沉积(PECVD) 、感应耦合离子刻蚀(ICP)、磁控金属溅射以及各向异性刻蚀等硅表面加工工艺,这些常用于MEMS器件加工的工艺方法能够保证器件的一致可靠性。

在微电极阵列制作完成以后,我们将采用Agilent 4294A阻抗分析仪,通过微电极阵列(工作电极) 、铂电极(参考电极) 和生理盐水组成的电化学系统对微电极阵列进行表征,以获取微电极阵列的交流电阻与交流电容随频率的变化特性曲线。在此项目中,我们需要将基于MEMS技术的微电极阵列传感器与基于CMOS技术的全定制神经信号处理器集成在一起而形成一个神经信号的微测量系统。在当今的微电子和光电子技术中将两种不同的微型器件集成在一起是一项重要而又富有挑战性的任务。基于硅MEMS技术的微电极阵列是非常易损器件,而且其热传导系数与需要集成在一起的CMOS芯片也不一样。我们将采用反装芯片的集成技术将基于MEMS技术的微电极阵列与基于CMOS技术的全定制电路集成在一起,并采用一种导电环氧树脂(Epotek Model H20E-PFC)作为微电极与CMOS芯片的电气界面。使用这种导电环氧树脂将会大幅度降低由于集成时温度和压力所导致的张力,从而使得微电极阵列与CMOS芯片的集成能够顺利完成。在微电极阵列与CMOS芯片的集成完成后,我们将采用陶瓷40针引脚的双列直插封装方式(Dual-inline Package DIP)将器件封装。并将一底部开有小孔的小型培养皿安装在封装好的器件表面,并使得小孔与裸芯片对准。封装金属丝与裸芯片的引脚将通过一种具有较好生物兼容性的防水环氧树脂胶进行绝缘,以防止微电极阵列在有电解质液体存在的生物环境中短路。聚二甲基硅氧烷(PDMS)被用来生成一个小池,以成为小型培养皿与集成封装芯片间的界面 。

 

中国农业大学高新技术研究所 | 联系电话:010-62736065 Email: contact@cauhtri.org 中国农业大学高新技术研究所

COPYRIGHT@2015 中国农业大学高新技术研究所 ALL RIGHTS RESERVED