柔性电子集成最新突破！4096通道TFT阵列

一、研究背景

下一代脑机接口（BMI）的核心目标是实现大规模神经元群体的精准记录，柔性皮质脑电（ECoG）装置作为非侵入式工具，已应用于语音合成、运动解码和癫痫灶定位等场景。然而，传统ECoG电极尺寸（毫米级）与皮质柱（数十至数百微米）的尺度不匹配，难以满足高分辨率需求；高密度微皮质脑电（lECoG）阵列则面临被动电极布线复杂、主动阵列制造工艺复杂（如单晶硅、石墨烯基TFT）、成本高且难以规模化的问题。此外，氧化物基TFT的柔性高通道（>1000通道）lECoG装置尚未实现体内脑电记录应用，制约了神经活动的高通量时空解析。

二、研究亮点

1. 超高通道与密度：开发的NeuroCam阵列具备4096个记录通道，电极密度达44 sites/mm2，为目前体内验证的多路复用lECoG技术中通道数和密度最高的系统。

2. 基于时分复用原理，仅需128根输入/输出（I/O）线即可实现4096通道信号读取，解决了高密度阵列的布线难题。

3. 采用氧化物半导体（镧掺杂InZnO，Ln-IZO）TFT技术，兼容柔性基底的低成本、米级量产工艺，保障装置的均一性和可扩展性。

4. 优异的生物与机械性能：装置厚度<30μm，柔性良好，经细胞毒性、热稳定性、弯折耐久性和长期浸泡测试，验证了体内应用的生物相容性和稳定性。

三、研究内容

1. 装置设计与制造

Fig. 1. The NeuroCam: a flexible, 4096-channel multiplexed lECoG device array. 

- 结构设计：采用64×64网格排列的4096像素单元，活性面积9.6mm×9.6mm，单个像素150μm×150μm，金传感垫尺寸70μm×135μm；装置以25μm厚聚酰亚胺（PI）为柔性基底，从下至上依次为Ln-IZO TFT活性层、有机/无机封装层、钼（Mo）互连电极和金（Au）传感垫。

- 制造工艺：基于工业级生产线完成制备，可实现20cm×20cm大基底的高 yield 制造，为规模化应用奠定基础。

2. 核心性能表征

- 电学性能：Ln-IZO TFT的迁移率达15.13 cm2/(V·s)，阈值电压2.7V，开关比约6×10?，3dB衰减频率>1kHz，远超ECoG信号典型频率范围（<200Hz）。

- 噪声与串扰：高精度模式下100kS/s采样率的均方根（RMS）噪声低至2.3±0.3μV；动态全阵列扫描时噪声为63.6±24.1μVrms，串扰水平低于噪声底，可通过标准处理去除。

- 生物相容性：细胞毒性测试与玻璃对照组无显著差异，工作时温度升高可忽略，经10000次弯折循环后性能稳定，37℃ PBS浸泡两周后装置yield维持约80%，通道增益稳定。

3. 体内实验验证

Fig.2. High-spatial-resolution ECoG mapping using the NeuroCam array.

- 实验模型：通过皮质内注射青霉素构建兔癫痫模型，将NeuroCam阵列硬膜下植入，覆盖包含注射位点的大范围皮质区域。

- 记录结果：成功捕捉到癫痫持续状态下的同步放电传播，致痫灶附近通道记录到振幅约2mV、频率3Hz、持续150ms的双侧尖峰信号；实现癫痫放电的时空演化映射，清晰呈现“焦点起始→信号向外扩散→全区域覆盖→活动消退”的四阶段过程，精准定位致痫灶位置。

四、总结与展望

本研究成功开发了基于Ln-IZO TFT阵列的4096通道柔性lECoG装置NeuroCam，通过时分复用技术突破了高密度阵列的布线瓶颈，结合工业级制造工艺实现了装置的规模化与低成本生产。体内外实验验证了其优异的电学性能、生物相容性和机械稳定性，在癫痫兔模型中首次实现了大范围皮质区域的高分辨率ECoG时空映射，为解析癫痫发病机制、精准定位致痫灶提供了全新工具，也为下一代高绩效BMI技术的发展奠定了基础。

文献链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927325011582

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