堆叠式集成平台架构的制作方法

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无

相关申请交叉引用

本申请要求2018年8月10日提交的美国临时申请62/717,270的优先权的权益，其内容通过引用合并于此。

背景技术：

微电极阵列(mea)是包含多个外露微电极的设备，电信号可以通过该微电极被接收或被传输。这样的信号可以被从活细胞接收或被传输至活细胞，所述活细胞本身，例如通过细胞膜的去极化，产生电信号。因此，mea可以用作细胞之间的接口，在其中它们是可处理信号的电连接和电子电路的形式。该电子电路可以包括微处理器，该微处理器包括，例如，mosfet，诸如cmos。来自每个微电极的信号必须从设备传输到mosfet。随着微电极数量的增加，设备与处理器之间的连接器或接口可能会变得越来越复杂。

开发用于信号记录，刺激，和转导的新平台很重要。

附图说明

合并在本文中并构成说明书一部分的附图示出了示例性实施例，并且与说明书一起还用于使相关领域的技术人员能够制造和使用这些实施例以及其他对于本领域技术人员而言是显然的实施例。将结合以下附图更具体地描述本发明，其中：

图1示出了具有嵌入式多路复用(mux)逻辑的微电极阵列(mea)芯片，以及具有下游电子器件的可重复使用的互补金属氧化物半导体(cmos)芯片。所述mea芯片可以是一次性的或可替换的。所述mea芯片可从cmos芯片上被移除或被分开。

图2示出了通过具有嵌入式mux逻辑的电极将mea芯片堆叠在通过mea芯片的底侧接入的cmos芯片的顶部上。

图3示出了被配置为光学元件(诸如光纤或透镜)的接口部件，该接口部件由此将mea芯片与cmos芯片相关联。

图4示出了具有阱的示例性mea芯片。

技术实现要素：
概要

本文提供的一个方面是一种系统，其包括：包括嵌入式多路复用(mux)逻辑电路的微电极阵列(mea)部件；以及互补金属氧化物半导体(cmos)部件，其中，所述系统被配置为：(i)记录信号，(ii)生成信号，(iii)对一个或多个信号进行计算分析，或者(iv)其组合，并且其中所述mea部件和所述互补cmos部件被配置为可分开的。在一个实施例中，所述mea部件的电极通过所述mux逻辑电路与接口部件相关联，并且其中所述接口部件也与所述cmos部件相关联。在另一个实施例中，该系统还包括被配置为将所述mea部件与所述cmos部件可操作地连接的接口部件。在另一个实施例中，所述接口部件包括电引脚，光学元件，或其组合。在另一个实施例中，所述接口部件被配置为将离开所述cmos部件的信号与所述mea部件的接收部分对准。在另一个实施例中，mea部件是一次性的。在另一个实施例中，所述cmos部件是可重复使用的。在另一个实施方案中，所述mea部件包含一个或多个细胞。在另一个实施例中，所述mea部件包括至少约1,000个电极。在另一个实施例中，所述mea部件包括至少约10,000个电极。在另一个实施例中，所述mea部件包括至少约100,000个电极。在另一个实施例中，所述mea部件包括至少约1,000,000个电极。在另一实施例中，所述cmos部件在没有外部处理器的情况下执行一个或多个计算。在另一个实施例中，所述mea部件和所述cmos部件以堆叠的方式配置，其中，所述mea部件的表面位于与所述cmos部件的表面相邻的位置。在另一个实施例中，所述cmos部件还包括以下一个或多个：滤波器，放大器，adc(模数转换器)，dac(数模转换器)，或其任意组合。在另一个实施例中，所述计算分析包括：尖峰信号分类；细胞(例如细胞，例如神经元)的放电率；细胞(例如神经元)对化学，机械，光学，热，电，或电磁刺激的响应的分析；或其任意组合。在另一实施例中，所述mea部件与表达气味受体的一个或多个细胞(例如神经元)对接，并且所述系统被配置为进行气味检测。在另一个实施方案中，所述系统被配置为检测一种或多种挥发性化合物。在另一实施方式中，所述系统的至少一部分被配置为可植入受试者中，并且所述mea部件被配置为与体内的一个或多个细胞对接。

本文提供的另一方面是一种方法，该方法包括：采用所述系统其包括：微电极阵列(mea)部件，该部件包括嵌入式多路复用(mux)逻辑电路；以及互补金属氧化物半导体(cmos)部件，其中，所述系统被配置为：(i)记录信号，(ii)生成信号，(iii)对一个或多个信号进行计算分析，或(iv)其组合，并且其中所述mea部件和所述互补cmos部件被配置为可分开的，以执行气味检测。

本文提供的另一方面是一种方法，该方法包括：采用的所述系统包括：微电极阵列(mea)部件，该部件包括嵌入式多路复用(mux)逻辑电路；以及互补金属氧化物半导体(cmos)部件，其中，所述系统被配置为：(i)记录信号，(ii)生成信号，(iii)对一个或多个信号进行计算分析，或(iv)其组合，并且其中所述mea部件和所述互补cmos部件被配置为可分开的，以检测一种或多种挥发性化合物。

在另一方面，本文提供一种装置，其包括微电极阵列(mea)，该微电极阵列(mea)包括基底，该基底包括与该基底的表面电接触的多个微电极，以及与该微电极阵列集成的一个或多个多路复用(mux)逻辑电路，每个多路复用逻辑电路包括：(1)作为输入与多个微电极中的每一个的电连接，(2)一个或多个输出，以及(3)在多个输入信号之间进行选择并将选择的输入信号转发至输出线路的开关，其中输出的总数少于微电极的总数。在一实施例中，多路复用逻辑电路包括集成电路。在另一实施例中，该装置还包括在基底的表面上形成的一个或多个阱或隔室，每个阱或隔室包括与一个或多个微电极电接触的空间。在另一个实施方案中，其中每个阱包括一个或多个细胞。在另一个实施方案中，细胞表达嗅觉受体。在另一个实施方案中，该装置包括多个阱或隔室，其中每个阱或隔室包括表达嗅觉受体的多个细胞，其中每个阱或隔室中的细胞表达不同的嗅觉受体。

本文提供的另一方面是一种系统，其包括：a)包括微电极阵列(mea)的设备，该微电极阵列(mea)包括基底，该基底包括与该基底的表面电接触的多个微电极，以及与微电极阵列集成在一起的一个或多个多路复用(mux)逻辑电路，每个多路复用逻辑电路包括(1)作为输入与多个微电极中的每一个的电连接，(2)一个或多个输出，以及(3)在多个输入信号之间进行选择并将选择的输入信号转发至输出线路的开关，其中输出的总数少于微电极的总数；b)被配置为接合一个或多个输出的电接口；以及c)一种包括微处理器的设备，其中，所述接口将来自所述一个或多个输出的信号传输到所述微处理器。在另一个实施例中，多路复用逻辑电路从mea设备外部的电源汲取功率。

本文提供的另一方面是一种方法，该方法包括：a)接合包括微电极阵列(mea)的第一器件，该微电极阵列(mea)包括基底，该基底包括与该基底的表面电接触的多个微电极，以及与微电极阵列集成在一起的一个或多个多路复用(mux)逻辑电路，每个多路复用逻辑电路包括(1)作为输入与多个微电极中的每一个的电连接，(2)一个或多个输出，以及(3)在多个输入信号之间进行选择并将选择的输入信号转发至输出线路的开关，其中输出的总数小于通过具有电接口的输出的微电极的总数，所述电接口被配置为将从输出中接收到的信号传输到微处理器；b)用微处理器从输出接收和处理电信号；以及c)将mea设备与电接口分离。在一个实施例中，该方法还包括：d)通过输出使第二mea设备与电接口接合。

本文提供的另一方面是一种方法，该方法包括：a)提供一种系统，该系统包括：a)包括微电极阵列(mea)的设备，该微电极阵列(mea)包括基底，该基底包括与该基底的表面电接触的多个微电极，以及与微电极阵列集成在一起的一个或多个多路复用(mux)逻辑电路，每个多路复用逻辑电路包括(1)作为输入与多个微电极中的每一个的电连接，(2)一个或多个输出，以及(3)在多个输入信号之间进行选择并将选择的输入信号转发至输出线路的开关，其中输出的总数少于微电极的总数；b)被配置为接合一个或多个输出的电接口；以及c)一种包括微处理器的设备，其中，所述接口将来自所述一个或多个输出的信号传输到所述微处理器，其中所述微电极阵列设备包括与所述微电极电接触的细胞，所述细胞在受到刺激时会生成电信号；b)使细胞受到刺激以生成电信号；以及c)使用处理器处理电信号。在一个实施例中，处理包括电信号的确定和强度。

本文提供的另一方面是一种制造装置的方法，该方法包括提供微电极阵列并与该微电极阵列集成一个或多个mux电路，其中每个mux电路接收来自多个微电极的电连接作为输入。

具体实施例

i.概述

可以将用于大规模cmos-mea芯片的3d堆叠集成平台架构设计用来信号刺激，记录，和计算。该信号可以是生物信号。mea芯片可以是一次性的或可替换的。可以从cmos芯片上移除mea芯片。

微电极阵列设备包括与其集成的一个或多个多路复用器(mux)。mux电路被配置为将来自阵列中的多个微电极的输入合并为减少数量的输出。输出可移除地连接到包括处理器(例如mosfet设备，例如cmos)的设备。几何布置可以包括位于mosfet器件上方的微电极阵列器件。所述输出可以被连接到位于微电极阵列设备下方的引脚。这些引脚可以依次连接与处理器电连接的母接头。所述mux电路可以显著地减少将信号从微电极传输到处理器所需的输出数量。

将mea的输出与所述处理器连接的接口可以独立于两个设备，也可以与其中任何一个集成，例如，与包括所述处理器的设备集成。该处理器可以是现场可编程门阵列的一部分。因此，这些部件可以彼此可逆地接合，从而使得与包括处理器的部件接合的mea设备可以被分离并被新的mea替换。接合和分离部件可以包括使mea上的电气连接与接口中的电气连接相接合和分离。接口可以包括弹簧引脚，当mea被压靠在弹簧引脚上时，弹簧引脚接合mea中的电输出。可替换地，mea设备中的引脚可以匹配与连接到包含该处理(例如，现场可编程门阵列)的化合物连接的母接头。因为微电极阵列设备与处理器可移除地连接，所以该微电极阵列设备可以用新的设备替换，而不必也替换处理器。因此，单个处理器可以与多个不同的mea部件一起使用。

现有的由硅或类玻璃材料制成的用于生物信号记录，刺激，和转导的微电极阵列(mea)，通常具有少量电极，其数量范围为每个芯片约4至约256个电极。由于制造这些mea所遵循的定制的和非标准的生产技术，其制造成本通常可能比传统的半导体工艺高得多。但是，当涉及通过传统电子设备(例如互补金属氧化物半导体(cmos)和印刷电路板(pcb))进行的下游信号处理时，可以轻松实现规模经济。但是，由于mea芯片可能在生物流体，生物物质，和半导体材料的交汇处操作，因此金属电极可能会随着时间的流逝而退化，从而导致其使用寿命有限。

当mea芯片被构建在cmos芯片之上时，一旦mea寿命到期，则有必要将整个mea与cmos芯片一起废弃。本文提供了一种新颖的平台，该平台通过将mea芯片与嵌入式多路复用(mux)逻辑，以及可重复使用的cmos芯片与下游电子设备集成在一起(参见图1)，将低成本与大规模生产的优势结合在一起。mea芯片可以是一次性的或可替换的。mea芯片可被从cmos芯片上移除或分开。

因此，本文提供了具有集成的mux电路的微电极阵列器件。这样的电路能够从外部电源汲取功率，诸如，该外部电源为与mea设备接合的现场可编程门阵列供电的电源。因为mea设备可与包含处理器的部件可逆地接合，所以mea设备是一次性的，并且可在系统上被替换。

ii.系统层面

设计了一种新颖3d堆叠平台架构，其被用于细胞信号记录，刺激，和后续计算。该平台可包括微电极阵列(mea)芯片(在玻璃或硅基底上制成)，其顶表面具有活性金属电极，该金属电极可与置于被侵没在适当的细胞培养基中的受限体积中的生物细胞(细胞系，例如hek293细胞，或原代细胞，例如神经元或基因修饰的细胞，等)接触。mea芯片的有效面积可以在约2×2平方毫米至约50×50平方毫米的范围内。mea设计中的最新技术包括通过mea电极输出的引脚或引线结合电连接到现场可编程门阵列(fpga)和/或cmos芯片。该设计的另一个变体可能是将cmos和mea芯片集成在单片结构上。但是，这些方法的缺点可能是整个设备的占位面积较大，反过来导致有源电极的可用芯片上可用面积较小(因为芯片面积可能在mea和cmos区域之间共享)。

本文提供了一种新颖架构，该架构通过具有嵌入式mux逻辑的电极通孔将硅或印刷电路板mea芯片堆叠在位于通过mea芯片的底部接入的cmos芯片的顶部(参见图2)。这些电极输出可以堆叠在电引脚上，电引脚可以依次连接到cmos芯片。电引脚可以被屏蔽以减轻寄生电流和噪声。由于mea顶表面上电极的可用有效面积的增加(通过3d堆叠使之成为可能)，使用标准的微机电系统(mems)光刻技术可以在例如约10x10mm2的芯片面积上制造的电极的数量大于约400,000，每个电极的占位面积约为10x10um2(电极间节距5um)。在较大的mea芯片(面积约50x50mm2)上，有源电极的数量可以为大于约1,000,000，可以将其细分为每族约10至约1000个电极的族，形成约1000至约100,000组的电极。除了上述更多数量的电极的特征外，由于采用了新颖3d堆叠架构，第二个优势可能是在细胞寿命被耗尽后该mea芯片可被移除，处置，和替换，而其余设备部件(例如cmos芯片)和其他电气部件，可被重复使用。除此之外，可以将位于mea芯片下面的新颖cmos芯片设计为同时包括基本信号处理部件，例如滤波器，放大器，adc(模数转换器)，dac(数模转换器)。计算可以直接在芯片上进行。

上述的另一个实施例是，所述mea可以直接堆叠在印刷电路板(″pcb″)的顶部，印刷电路板被再次连接到从mea的底侧接入的电极输出。

iii.mea层面

一种装置，包括微电极阵列，该微电极阵列包括：基底，该基底包括与基底的表面连通的微电极；以及一个或多个与mea集成的mux电路。每个mux电路电连接到多个微电极。mea被配置为接收来自放置在基底表面上的细胞的电信号以及与微电极的电连接。

mux电路可以是集成电路。mux电路可以通过以下方式与所述mea集成，例如，插入mea基底的孔中，以及通过在微电极和mux输入之间形成电连接。例如，可以通过将mea中的电线路与mux输入进行焊接来建立电气连接。

该装置可以包括一个或多个容器，例如在基底表面上提供的开放式阱或封闭的隔室。所述阱或隔室限定部分地被基底表面包围并由此与微电极电接触的空间。所述阱或隔室的数量可以是一个或多个。多个可以包括至少两个，至少四个，至少10个，至少50个，至少1oo个，至少500个，或至少1000个阱或隔室。阱或隔室可以由包括孔的聚合物基底制成，其部分地限定阱或隔室并且被固定在mea表面上。阱可以被一层材料覆盖，例如塑料或玻璃，以形成封闭的隔室。

参见图4，在某些实施例中，设备400包括基底410。在基底表面上是限定阱430的阱块420。微电极450终止于在阱中和电焊盘460中的基底表面上。mux470被集成到该设备中。

要包括在装置中的阱或隔室中的细胞可以是在刺激时产生电信号的任何细胞。在某些实施方案中，细胞包含神经元。在其他实施方案中，细胞表达嗅觉受体。嗅觉受体是跨膜蛋白，当该跨膜蛋白与化学刺激剂结合时，可以将信号传输到细胞中。不同的嗅觉受体可以结合至不同的化学实体。已知数百种人类嗅觉受体，并且可以通过突变产生功能性嗅觉受体。这样的细胞可以通过重组dna技术产生。例如，细胞可以是经工程改造的重组细胞以表达受体，例如嗅觉受体或与细胞外配体结合的基因工程受体，以转导来自被挥发性有机化合物刺激的嗅觉受体的信号，以最终产生如本文所公开的可被系统检测到的电信号。

参见，例如，国际专利公开文本wo2017/015148，wo2018/081657，wo2018/208332，wo2018/237302，和wo2019/040910。

iv.cmos层面

可以在模拟和混合信号芯片块中处理从电极接收到的记录的尖峰信号。该模拟和混合芯片块可能包括adc，dac，一个或多个滤波器，一个或多个放大器，模拟mux，和其他信号处理部件。细胞(例如神经元)刺激模块可能是芯片的一部分，我们可以在其中提供数字输入，随后可以将其转换为模拟信号，并通过电极传递到一个或多个细胞(例如神经元)。可以控制记录或刺激哪个电极。该芯片可以集成例如温度，湿度等传感器。

来自模拟和混合信号芯片块的已处理的信号在数字域中并被馈送至数字芯片块。该数字芯片块可以是专用的数字处理器。处理器可以执行许多不同的计算。它可以基于算法对尖峰信号进行分类。机器学习，人工智能，深度学习，和神经网络算法可以在硅上执行，人们可以在其中分析细胞(例如神经元)的针对不同刺激(化学，机械，光学，电，热，电磁等)细胞的行为模式，例如神经元，放电速率，化学检测，存储以前的模式以在将来做出更好的预测。这种方法的新颖性可以是消除印刷电路(pc)依赖性，其中通过pc软件分析通过电缆接口传输的数据。由于此处理器可以消除对pc的依赖，因此通过该处理器进行的计算可能比pc软件要快得多，并且可以使该设备具有便携性(无需pc即可将其放在壁上或放在无人机上)。另外，可以将该芯片设计为执行pc的特定计算相对一般计算。

该处理器可能够通过usb，usb+c接口，串行外围接口(spi)接口，通用异步收发器(uart)接口，pci接口与外界通信。通过这些接口，我们可以将fpga或pc连接到设备，并在pc上执行后置信号处理。通过将wi-fi模块嵌入数字处理器，可以将数据直接传输到基于云的数据库，这可以不需人在场，并且可以从全世界监视数据。该人还可以使用wi-fi模块进行通信，该模块可以使用安全通信协议通过云与数字处理器进行通信。

芯片，例如无源芯片，可以支持以下一种或多种：用mems透镜实现的光学元件；集成的二次光纤；嵌入芯片内的光路；或其他任何组合(参见图3)。光纤的裸露部分可以刺激细胞，例如神经元，设置位置在电极附近，例如位于电极顶部。

另外，与诸如位于mea基底内部或上方的mea基底相关的光路可具有无源光开关，使得无论有多少裸露的光源位于mea顶部，与cmosmea或电子部件的连接可能会大大减少。mea基底可以被配置为无源mea基底。

对诸如无源低成本mea之类的mea的连接可以通过光学元件来实现，例如透镜，光纤，或甚至是渐变折射率(grin)透镜-在某些情况下，其可以通过压力或其他扣紧机制将其耦接到cmos芯片上，以确保可以实现对准(参见图3)。

mea基底可以被配置为经由电引脚，或光学元件，或其组合与cmos基底相关联。mea基底可以被配置为可被从cmos基底移除或分开。mea基底可以以线性堆叠配置与cmos基底相关联。

v.使用方法

本文公开的系统可用于收集和处理由与微电极阵列接触的细胞产生的电信号。方法可以包括在微电极阵列的表面上培养细胞。例如，细胞可以在与微电极电接触的浸没在容器中的培养基中培养，所述容器例如阱或隔室。阵列上的多个微电极可以是足够的以使得可以通过一个或多个微电极检测来自每个培养细胞的信号。也就是说，检测可以是冗余的。所述mux电路允许将信号从每个微电极有效传输至与设备接合的微处理器。该过程可能涉及信号的模数转换。

在某些实施方案中，可以在阵列上使用不同的细胞类型，每种细胞类型都可以通过不同的刺激来激发。这样，可以检测到不同的刺激。例如，微电极阵列上的多个不同容器中的每个可以包括细胞，其中每个容器中的细胞表达不同的嗅觉受体。可以使诸如气体(例如，空气)或液体的测试样品与每个隔室中的细胞接触。如果样品包括特定容器中细胞中的嗅觉受体识别的化合物，则这些细胞将产生电信号，该信号可以通过与细胞接触的微电极被检测到。该信号被传输到处理器并进行处理以确定，例如，隔室和，因此，被刺激的嗅觉感受器，以及信号强度。信号强度可以表征样品中化合物的浓度。

除非另有说明，适用如本文所用的以下含义。″可能″一词的使用是宽松的(即意味着有可能)，而不是强制性的(即必须)。词语″包括(include)″，″包含(including)″，和″包含(includes)″及类似的表示包括(including)，但不限于此。单数形式″一(a)″，″一(an)″和″该(the)″包括复数指代物。因此，例如，提及″一(a)元件″包括两个或更多个元件的组合，尽管对于一个或更多个元件使用其他术语和短语，诸如″一个或更多个″。短语″至少一个″包括″一个或多个(oneormore)″，″一个或多个(oneoraplurality)″和″多个(aplurality)″。除非另外表示，否则术语″或″是非排他性的，即包括″和″和″或″。修饰词和序列之间的术语″任何″是指修饰词修饰序列的每个成员。因此，例如，短语″至少1，2，或3中的任何一个″是指″至少1，至少2个，或至少3个″。术语″基本上由......组成″是指所列举的要素和不实质上影响要求保护的组合的基本的和新颖特征的其他要素。

应该理解，说明书和附图并非旨在将本发明限制为所公开的特定形式，相反，其意图是涵盖落入如所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围内的所有修改，等同形式，和替换形式。鉴于该描述，本发明各个方面的进一步修改和替换实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，该描述和附图仅应被解释为说明性的，并且目的是向本领域技术人员教导实施本发明的一般方式。应当理解，本文示出和描述的本发明的形式将被做为实施例的示例。本文中图示和描述的元件和材料可以被代替，部件和过程可以颠倒或省略，并且本发明的某些特征可以被独立地利用，所有这些对于本领域技术人员而言将受益于本发明的描述。在不脱离如所附权利要求书所述的本发明的精神和范围的情况下，可以对本文所述的元件进行改变。本文使用的标题仅用于组织目的，并不意味着用来限制本说明书的范围。

本说明书中提到的所有公开，专利，和专利申请都以相同的程度通过引用并入本文，就像每个单独的公开，专利，或专利申请被明确地和单独地指示为通过引用并入一样。