【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于生物医学，具体涉及一种基于纳米碳管晶体管的多模态侵入式柔性有源脑电阵列。
技术介绍
1、脑电(electroencephalogram，eeg)是一种用于监测大脑电活动的神经生理学技术，通过检测大脑中的神经元活动而产生的微弱电流。神经元的活动导致电离在神经元膜上的移动，这些电离的运动产生了电位变化，最终被记录为脑电信号。侵入式的穿刺型皮质内电极iris(intracortical recording interfaces，简称iris)是一种用于监测大脑皮质活动的神经生理学装置。与非侵入性的脑电或脑磁图不同，侵入式皮质内电极需要将电极直接植入实验动物的大脑皮层中，以测量神经元的电活动。与非侵入性的脑电或脑磁图相比，侵入式皮质内电极具有更高的时空分辨率。这意味着它们能够提供更精细的脑区域活动的信息，以及更精确的时间分辨率，因为它们直接接触到神经元。
2、大脑神经递质离子敏电极广泛应用于神经科学研究中，旨在了解神经元活动和神经细胞内外的离子平衡。这些电极可以测量钾和钠离子在神经元通信和兴奋性活动中的变化，帮助研究人员深入探讨神经元如何产生和传递电信号。离子敏电极检测大脑活动变化，是超低频及离子活动信号先于电信号产生。离子敏电极与电信号模态一同检测，有利于同时检测到低频与高频的大脑信号，快速检测出大脑状态切换，高灵敏检测大脑信号的细节变化。
3、对大脑进行多模态刺激(光、电、磁等刺激)和同步的多模态记录(皮层脑电ecog、核磁共振实时扫描图、血流分布等)的方式得到更多的脑活动信息，是目前的研究热点
4、传统的无源侵入式穿刺型皮质内探针电极为三明治结构，即衬底层-金属电极-封装层，包括电极阵列和阵列集束连线组成，电极阵列贴敷在大脑皮层，裸露的金属电极触点直接接触皮层并采集接收极微弱的脑电信号，然后通过集束的连线通过颅骨连接到最近的前置放大器进行放大，然后传出进行采样传输。集束的长连线易受噪声的影响，线越长收集到的信号噪声就越大。传统的无源电极无法满足大脑多模态研究，主要是金属电极是不透明的，会遮挡光刺激的光路；金属电极点阵电阻较低，在mri下容易引起大的涡流升温，细胞在超过42度时会凋亡，所以mri环境下多采用高阻的电极，如碳电极，但电极过大的电阻会显著降低本就微弱的脑电信号幅度；只能有效检测2hz以上的大脑信号变化。因此，设计一种可用于磁兼容多模态观测大脑电信号的柔性侵入式穿刺型皮质内的电极阵列非常必要。
技术实现思路
1、鉴于上述，本专利技术的目的是提供一种基于纳米碳管晶体管的多模态侵入式柔性有源脑电阵列，具有电信号采集、离子浓度变化采集、高透明性，并采用有源技术，通过将电压信号变换为电流信号，避免前端传输引入大量mri电压噪声，以及实现可调有源晶体管以及离子敏传感器的灵敏度。
2、为实现上述专利技术目的，本专利技术实例提供了一种基于纳米碳管晶体管的多模态侵入式柔性有源脑电阵列，包括：形成在柔性透明衬底上的单壁碳纳米管有源晶体管阵列和单壁碳纳米管神经递质离子敏感传感器阵列、与有源晶体管阵列连接的第一电极触点阵列和离子敏感传感器阵列连接的第二电极触点阵列、控制有源晶体管和离子敏感传感器的控制模块；
3、所述控制模块包括偏压调控模块和有源电极跟随电路，偏压控制模块用于为有源晶体管以及神经递质离子敏感传感器的源漏极提供开启偏置电压，有源电极跟随电路用于为有源晶体管以及神经递质离子敏感传感器的漏电流转换为电压信号以及电压信号放大；
4、所述晶体管阵列、离子敏感传感器阵列、电极触点阵列和控制模块均采用磁兼容材料，实现磁兼容适配，通过控制柔性透明衬底、电极阵列、单壁碳纳米管有源晶体管、单壁碳纳米管神经递质离子敏传感器的材料与结构层级上的厚度来实现透明，进而实现光模态大脑检测的集成。
5、优选地，所述第一电极触点阵列中，每个第一电极触点与单壁碳纳米管有源晶体管的栅极相连，第一电极触点为金属薄膜，长宽尺寸分别在1-500um之间的方形或圆矩形或椭圆形，厚度在10nm-10um之间，材料包括不限于钛、钯、金、白金等，每个第一电极触点表面涂敷单壁碳纳米管的涂层以提升生物相容性，其中，单壁碳纳米管层厚度1nm-1um之间，碳纳米管纯度为60％-99.99％，阵列中第一电极触点个数1-100个之间。
6、优选地，所述第二电极触点阵列中，通过将有源晶体管不覆盖栅极露出沟道，在沟道上滴定神经递质离子敏感膜形成单壁碳纳米管神经递质离子敏感传感器，其中，神经递质离子敏感膜作为形成神经递质离子采集的一个第二电极触点，离子敏感膜厚度在10nm-10um之间，阵列中第二电极触点个数1-100个之间。
7、优选地，所述有源晶体管为透明薄膜晶体管，其源极、漏极、栅极金属材料包括并不限于金、钯、白金或钛等，厚度在10nm-100nm之间，宽度在3um-10um之间；源极与控制模块之间的电路互连线金属材料、漏极与控制模块之间的电路互连线金属材料包括并不限于金、钯、白金或钛等，厚度在20nm-5um之间，互连线宽度3um-20um之间。
8、优选地，所述有源晶体管和神经递质离子敏感传感器的有源层为磁兼容的单壁碳纳米管材料(swcnts)，其中，碳纳米管层厚度1nm-1um之间，单根碳纳米管宽度1-10nm之间，碳纳米管纯度为60％-99.99％。swcnts是优秀的导电材料，其电子迁移率非常高，远远超过了传统的硅材料。swcnts可以在晶体管中实现更快的电子传输速度，提高了电子器件的性能。碳纳米管晶体管可以在低电压下工作，从而减少能量消耗。
9、优选地，所述有源晶体管的介质层为磁兼容的氧化铪、氧化钇或二氧化硅薄膜堆叠而成，厚度在1nm-100nm之间，为了确保与脑细胞的良好接触，以及避免多通道连接导线之间短路问题，裸露绝缘层上、有源电极跟随电路上均覆盖聚酰亚胺实现密封，厚度在100nm-100um之间，仅露出有源晶体管需要接触脑细胞的栅极，以及离子敏电极通道的碳纳米管沟道。
10、优选地，所述单壁碳纳米管有源晶体管、单壁碳纳米管神经递质离子敏感传感器分别与控制模块之间的互联方式包括并不限于通过各向异性导电胶、斑马纸或打金线等。
11、优选地，所述柔性透明衬底包括并不限于柔性玻璃、柔性pi或柔性pet等，厚度在1-1000um之间。
12、优选地，所述偏压调控模块还用于控制有源晶体管以及神经递质离子敏传感器的开通以及检测其灵敏度。
13、在有源晶体管中，源漏极与swcnts构成欧姆接触的p型晶体管，具有源漏极对称的特性，通过控制栅极偏压来控制晶体管的开本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于纳米碳管晶体管的多模态侵入式柔性有源脑电阵列，其特征在于，包括：形成在柔性透明衬底上的单壁碳纳米管有源晶体管阵列和单壁碳纳米管神经递质离子敏感传感器阵列、与有源晶体管阵列连接的第一电极触点阵列和离子敏感传感器阵列连接的第二电极触点阵列、控制有源晶体管和离子敏感传感器的控制模块；
2.根据权利要求1所述的基于纳米碳管晶体管的多模态侵入式柔性有源脑电阵列，其特征在于，所述第一电极触点阵列中，每个第一电极触点与单壁碳纳米管有源晶体管的栅极相连，第一电极触点为金属薄膜，长宽尺寸分别在1-500um之间的方形或圆矩形或椭圆形，厚度在10nm-10um之间，材料包括钛、钯、金或白金，每个第一电极触点表面涂敷单壁碳纳米管的涂层以提升生物相容性，其中，单壁碳纳米管层厚度1nm-1um之间，碳纳米管纯度为60％-99.99％，阵列中第一电极触点个数1-100个之间。
3.根据权利要求1所述的基于纳米碳管晶体管的多模态侵入式柔性有源脑电阵列，其特征在于，所述第二电极触点阵列中，通过将有源晶体管不覆盖栅极露出沟道，在沟道上滴定神经递质离子敏感膜形成单壁碳纳米管神经递
4.根据权利要求1所述的基于纳米碳管晶体管的多模态侵入式柔性有源脑电阵列，其特征在于，所述有源晶体管为透明薄膜晶体管，其源极、漏极、栅极金属材料包括金、钯、白金或钛，厚度在10nm-100nm之间，宽度在3um-10um之间；源极与控制模块之间的电路互连线金属材料、漏极与控制模块之间的电路互连线金属材料包括金、钯、白金或钛，厚度在20nm-5um之间，互连线宽度3um-20um之间。
5.根据权利要求1所述的基于纳米碳管晶体管的多模态侵入式柔性有源脑电阵列，其特征在于，所述有源晶体管和神经递质离子敏感传感器的有源层为磁兼容的单壁碳纳米管材料，其中，碳纳米管层厚度1nm-1um之间，单根碳纳米管宽度1-10nm之间，碳纳米管纯度为60％-99.99％。
6.根据权利要求1所述的基于纳米碳管晶体管的多模态侵入式柔性有源脑电阵列，其特征在于，所述有源晶体管的介质层为磁兼容的氧化铪、氧化钇或二氧化硅薄膜，厚度在1nm-100nm之间，裸露绝缘层上、有源电极跟随电路上均覆盖聚酰亚胺实现密封，厚度在100nm-100um之间。
7.根据权利要求1所述的基于纳米碳管晶体管的多模态侵入式柔性有源脑电阵列，其特征在于，所述单壁碳纳米管有源晶体管、单壁碳纳米管神经递质离子敏感传感器分别与控制模块之间的互联方式包括通过各向异性导电胶、斑马纸或打金线。
8.根据权利要求1所述的基于纳米碳管晶体管的多模态侵入式柔性有源脑电阵列，其特征在于，所述柔性透明衬底包括柔性玻璃或柔性PI或柔性PET，厚度在1-1000um之间。
9.根据权利要求1所述的基于纳米碳管晶体管的多模态侵入式柔性有源脑电阵列，其特征在于，所述偏压调控模块还用于控制有源晶体管以及神经递质离子敏传感器的开通以及检测其灵敏度。
10.根据权利要求3所述的基于纳米碳管晶体管的多模态侵入式柔性有源脑电阵列，其特征在于，所述神经递质离子敏感膜为钙离子载体IV与PVC聚氯乙烯增塑剂形成的固体薄膜，用于检测钙离子；所述神经递质离子敏感膜为双冠醚化合物与PVC聚氯乙烯增塑剂形成的固体薄膜，用于检测钾离子；所述神经递质离子敏感膜为4-叔丁基杯[4]芳烃-四乙酸四乙酯与PVC聚氯乙烯增塑剂形成的固体薄膜，用于检测钠离子。
...【技术特征摘要】
1.一种基于纳米碳管晶体管的多模态侵入式柔性有源脑电阵列，其特征在于，包括：形成在柔性透明衬底上的单壁碳纳米管有源晶体管阵列和单壁碳纳米管神经递质离子敏感传感器阵列、与有源晶体管阵列连接的第一电极触点阵列和离子敏感传感器阵列连接的第二电极触点阵列、控制有源晶体管和离子敏感传感器的控制模块；
2.根据权利要求1所述的基于纳米碳管晶体管的多模态侵入式柔性有源脑电阵列，其特征在于，所述第一电极触点阵列中，每个第一电极触点与单壁碳纳米管有源晶体管的栅极相连，第一电极触点为金属薄膜，长宽尺寸分别在1-500um之间的方形或圆矩形或椭圆形，厚度在10nm-10um之间，材料包括钛、钯、金或白金，每个第一电极触点表面涂敷单壁碳纳米管的涂层以提升生物相容性，其中，单壁碳纳米管层厚度1nm-1um之间，碳纳米管纯度为60％-99.99％，阵列中第一电极触点个数1-100个之间。
3.根据权利要求1所述的基于纳米碳管晶体管的多模态侵入式柔性有源脑电阵列，其特征在于，所述第二电极触点阵列中，通过将有源晶体管不覆盖栅极露出沟道，在沟道上滴定神经递质离子敏感膜形成单壁碳纳米管神经递质离子敏感传感器，其中，神经递质离子敏感膜作为神经递质离子采集的一个第二电极触点，离子敏感膜厚度在10nm-10um之间，阵列中第二电极触点个数1-100个之间。
4.根据权利要求1所述的基于纳米碳管晶体管的多模态侵入式柔性有源脑电阵列，其特征在于，所述有源晶体管为透明薄膜晶体管，其源极、漏极、栅极金属材料包括金、钯、白金或钛，厚度在10nm-100nm之间，宽度在3um-10um之间；源极与控制模块之间的电路互连线金属材料、漏极与控制模块之间的电路互连线金属材料包括金、钯、白金或钛，厚度在20nm-5um之间，互连线宽度3um-20um之间。<...
【专利技术属性】
技术研发人员：董树荣，夏洁，章璐茜，李明杰，李伯羽，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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