组成图示
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传感器类型
其他（CMOS微电极阵列生物传感器）
检测对象
神经元动作电位（neural action potentials）；样品基质：体外细胞培养液/细胞培养环境
检测原理
神经元产生动作电位时，细胞膜电位变化通过电容耦合在平面金属微电极表面感应出微小电压，典型幅度为100 μV–1 mV，文中测试范围为600 μV–2 mV。微电极-细胞膜界面相当于电容耦合传感界面，动作电位越强或细胞-电极接触越直接，感应电压越大。片上高输入阻抗两级前置缓冲器首先缓冲信号，降低输出阻抗并减少串扰与电荷注入；随后OTA高增益放大器以电容反馈提供40–70 dB增益，将数百微伏信号放大至伏特级。24个通道由5位地址译码器和二进制计数器控制，经24选1模拟多路复用器串行输出，再由外部MCF5307微控制器完成AD转换、数字信号处理和PC通信。
检测灵敏度
原文未报告LOD、线性范围、灵敏度斜率或R^2；报告可记录神经信号幅度范围：600µV – 2mV，频率范围：100 Hz to 10KHz。
效应效果
该芯片通过无电镀锌镀金提高体外细胞培养环境中的生物相容性和稳定性，避免铝材料导致细胞中毒和电化学腐蚀。对幅度600 μV–2 mV、频率100 Hz–10 kHz的神经信号，作者报告可获得满意信噪比。高输入阻抗前置缓冲器降低对微电极的电气干扰，并减少多路复用开关引起的串扰和电荷注入。24通道并行结构与片上多路复用支持多站点同步测量；外部MCF5307微控制器、PCI-DAS1002数据采集卡和Matlab/Simulink平台实现控制、AD转换、DSP和PC通信。作者用Hodgkin-Huxley模型模拟神经信号进行电学测试，验证芯片功能。原文未报告RSD、回收率或与ELISA/HPLC/qPCR的定量对比。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：硅基CMOS芯片（AMI C5 0.5 μm双多晶硅、三层金属工艺），提供微电极阵列与片上模拟/数字电路
- 微电极像素：平面金属微电极（metal 1/2/3，60 μm×60 μm，间距150 μm），通过电容耦合感应细胞外动作电位
- 镀金修饰层：无电镀锌镀金（electroless gold plating）替代铝，提高生物相容性并抑制电化学腐蚀
- 识别/传感界面：细胞膜电容耦合（无特异性识别元件），用于感应神经元动作电位
- 片上缓冲/放大电路：两级前置放大器（20 dB电阻反馈）与OTA高增益放大器（40–70 dB电容反馈），缓冲并放大神经信号
- 多路复用/控制单元：5位地址译码器、5位二进制计数器、24选1模拟多路复用器，实现通道选择与时序读出
- 外部接口/读出：Motorola ColdFire MCF5307微控制器、PCI-DAS1002数据采集卡、Matlab/Simulink，完成AD转换、控制、DSP和PC通信
中文摘要
本文报道一种24通道混合信号全定制CMOS集成生物传感器芯片的设计与原型，用于体外细胞外记录神经信号。论文详细给出分层模块的设计与实现，包括微电极电生理传感器、模拟信号缓冲器、高增益放大器和控制/接口单元。原型芯片由MOSIS采用AMI C5 0.5 μm双多晶硅、三层金属CMOS工艺制造。芯片采用无电镀锌镀金后处理工艺，以生物相容金属金替代标准CMOS工艺中的铝材料，用于平面微电极阵列传感器，防止细胞中毒和不利电化学腐蚀。该芯片包含4×6平面金属微电极像素、24个并行模拟处理通道、24选1模拟多路复用器和数字控制/接口电路，通过电容耦合感应神经元动作电位引起的微小电极电压。对幅度600 μV–2 mV、频率100 Hz–10 kHz的神经信号，芯片可提供满意的信噪比。
英文摘要
In this paper we present the design and prototyping of a 24-channel mixed signal full-customized CMOS integrated biosensor chip for in vitro extracellular recording of neural signals. Design and implementation of hierarchical modules including microelectrode electrophysiological sensors, analog signal buffers, high gain amplifier and control/interface units are presented in detail. The prototype chip was fabricated by MOSIS with AMI C5 0.5 microm, double poly, triple metal layer CMOS technology. The electroless gold plating process is used to replace the aluminum material obtained from the standard CMOS process with biocompatible metal gold in the planner microelectrode array sensors to prevent cell poisoning and undesirable electrochemical corrosion. The biosensor chip provides a satisfactory signal-to-noise ratio for neural signals with amplitudes and frequencies within the range of 600microV - 2mV and 100 Hz to 10KHz, respectively.