一套5376通道μECoG系统， 如何打通芯片、电极与封装

图1 系统总体结构：柔性μECoG探针、ASIC板、路由板和FPGA板构成头戴式采集系统；探针与芯片通过双层金凸点实现逐通道连接。来源：Fan et al., 2026，Fig. 1。

   5376个通道“同时工作”

在高通道数神经接口中，“电极数量”和“同步记录通道数”并不是同一个指标。一块探针可以布置数千甚至数万个电极位点，但后端芯片受到面积、功耗、发热和数据带宽限制，往往只能同时启用其中一部分。论文以Neuropixels和BISC为例：前者拥有大量可选电极，但典型配置为384个活动通道；后者集成65536个电极，在33.9 kS/s下支持256通道，或以8.475 kS/s读取1024通道。

这套系统选择了另一条路线：84×64个记录像素全部在线，每个通道以20 kS/s采样，12位量化，模拟带宽覆盖2 Hz至10 kHz，总原始数据吞吐超过1.3 Gb/s。按照论文作者的表述，这是目前通道数最高的全积分、头戴式μECoG平台。更准确地说，它把“名义电极数”推进成了“可同时读取的有效通道数”。

通道数上升带来的压力并不只在芯片。5376路模拟前端需要保持相近的增益和噪声；柔性电极需要容纳同样数量的引线；芯片与探针之间需要完成数千个高良率连接；最后，FPGA和数据链路还要持续接住上亿次每秒的采样数据。这篇论文的价值，正在于它同时处理了这些约束。

论文报告的主要系统参数

数据来源：Fan et al., 2026。噪声与良率口径以论文主文为准。

   芯片：在一个阵列里完成记录、刺激与自检

定制ASIC采用110 nm CMOS工艺，芯片主体由84×64个记录像素构成，像素间距为180 μm。每个像素内置低噪声放大器和可编程增益放大器，四个像素共享一枚12位四阶ΣΔ ADC。ADC以80 kS/s运行，经4:1时分复用后，每个记录通道获得20 kS/s的有效采样率。ADC被放置在像素阵列外围，设计思路接近CMOS图像传感器：像素负责就地放大，外围负责转换和读出。

全阵列的中频增益平均为158.2 V/V，标准差为3.2 V/V；2 Hz至10 kHz带宽内的输入等效噪声平均为5.3 μVrms。探针与芯片连接后，系统级噪声上升到6.06 μVrms。对于数千通道系统而言，后一个数字比单独芯片指标更有参考价值，因为它包含了电极阻抗、封装寄生和系统接地的共同影响。

芯片还集成了阻抗测量、电镀和电流刺激功能。32个独立刺激单元可访问224个电极位点，最多同时驱动32个位置，输出电流从200 nA到70 μA，步进200 nA。刺激期间，前端通过快速恢复开关暂时复位，论文报告其在刺激结束后约1.5 ms恢复完整灵敏度。刺激波形和长期稳定性已经在电阻、电容和PBS负载上验证，但尚未在动物体内展示刺激效果。

图2 ASIC结构与台架测试结果：芯片集成5376通道记录、224位点刺激、阻抗测量和电镀功能，并给出全阵列增益、噪声和刺激波形测试。来源：Fan et al., 2026，Fig. 2。

平均42 μW/通道意味着全通道记录时，芯片功耗已进入数百毫瓦量级。论文给出的功率密度约为0.75 mW/mm²，并强调芯片位于颅外头戴模块中，不直接接触脑组织。对产业开发而言，这一架构降低了植入端的热风险，但并没有消除整机散热、供电和佩戴重量问题。数据传输是主要功耗来源之一，后续若要走向无线和长期使用，压缩与边缘处理几乎不可回避。

   电极：5376根互连被压进约13 μm厚的柔性膜

与ASIC匹配的μECoG阵列采用四层金属互连，每层承载1344个通道。最小金属线宽为2 μm，线间距为2.5 μm，金属层之间用聚酰亚胺绝缘，器件总厚度约13 μm。四层布线并不是单纯追求密度，而是在标准光刻工艺可实现的线宽、良率和柔性之间取折中。

作者制作了大鼠和人脑尺寸的两种阵列。大鼠版本采用25 μm直径电极和120 μm中心间距，覆盖约7.6×10 mm；人脑版本采用60 μm电极和360 μm间距，覆盖约22.9×30.5 mm。两者都包含5376个通道，但空间尺度和目标信号不同：大鼠版本用于高分辨率皮层映射，人脑版本更偏向大范围群体活动记录。需要强调的是，论文只对大鼠版本进行了在体实验，人脑版本仍属于器件设计和制造验证。

记录电极使用溅射氧化铱涂层，并在电极之间设计灌流孔，帮助盐水在薄膜上下重新分布，使阵列更贴合脑表。代表性电极在1 kHz下的阻抗约为100 kΩ。对于μECoG，这一阻抗水平在信号耦合和噪声之间提供了可用平衡。

图3 柔性μECoG阵列及电化学表征：左侧为大鼠和人脑尺寸的探针设计，中部展示空心键合焊盘、四层互连与氧化铱电极，右侧为电压瞬态、循环伏安和阻抗结果。来源：Fan et al., 2026，Fig. 3。

   封装：真正限制规模化的，是数千个可靠连接

当通道数进入几千量级，探针和芯片之间的连接往往比单独制造芯片或电极更困难。传统引线键合难以在有限面积内容纳5376根独立连线，刚柔电路连接又容易带来较长走线、寄生电容和机械负担。该团队采用了双层金凸点方案，将柔性探针的焊盘与ASIC像素一一对准。

第一层直径约70 μm的金凸点直接制作在ASIC铝焊盘上；柔性探针对应位置采用外径约85 μm、内径约60 μm的空心环形焊盘。探针对准后，第二层金凸点穿过空心区域，与下方凸点和探针金属边界同时结合，从而完成电气和机械连接。最终堆叠厚度小于45 μm，5376个通道的键合过程约10分钟。

PBS中的阻抗测试显示，约92%的通道位于10-100 kΩ范围。剪切测试中，第一层铝/金界面的失效载荷为58.2±5.4 g，第二层金/金界面为50.4±7.3 g，每组测试n=10。论文同时说明，目前良率主要受四层金属厚度波动和阵列边缘卷曲影响，探针放置仍依赖人工对准，容差约5-10 μm。换言之，这套方案已经证明高密度互连可行，但若要进入批量生产，自动贴装、压力均匀性和在线检测仍是工程重点。

图4 双层金凸点键合及键合后表征：上两排展示芯片凸点、柔性探针对准与二次键合，下排给出剪切强度、全阵列阻抗分布和阻抗直方图。来源：Fan et al., 2026，Fig. 4。

   动物验证：看见局部皮层反应，但尚不是闭环脑机接口

研究团队在麻醉大鼠上进行了急性实验。手术建立约10×12 mm开颅窗并去除硬脑膜，柔性阵列覆盖左半球的感觉、运动和视觉皮层。实验通过机械装置分别刺激胡须、前肢、后肢和躯干，并记录诱发μECoG信号。不同刺激条件重复20-50次；论文主图中的部分热图为50次试验平均结果。

数据处理采用1-250 Hz带通、60 Hz陷波、共模或公共平均参考，并以5 ms窗口计算RMS。处理后的空间热图显示，胡须、前肢、后肢和躯干刺激对应的皮层激活区域彼此分离。胡须刺激在桶状皮层产生较集中响应，峰值约出现在刺激后20-25 ms；后肢和躯干响应出现得更晚，约为85-90 ms。局部响应扩展约1 mm，代表性信号峰峰值最高约70 μV。

这些结果证明了阵列、电极连接、采集链路和空间映射能够整体运行。它们并不等同于单试次实时解码：主图依赖多次试验对齐和平均，且记录对象是脑表群体活动。虽然芯片的20 kS/s采样率和前端带宽能够覆盖动作电位频段，但本次μECoG实验没有展示单神经元记录。作者也将穿透式探针验证列为后续工作。

图5 大鼠在体皮层映射：系统记录胡须、前肢、后肢和躯干机械刺激诱发的μECoG响应，并显示不同感觉区域的空间分离。主图部分结果为n=50次试验平均。来源：Fan et al., 2026，Fig. 5。

   这项工作的价值在哪里

第一，后端电子学正在取代电极数量，成为规模上限

过去几年，微纳加工已经能够在很小面积内布置数千乃至数万个电极。真正决定系统能力的，逐渐转向有多少通道能够同时放大、数字化和输出。5376通道同步读出说明，面向大规模神经接口的竞争指标需要从“电极位点数”转向“同步有效通道数、单通道噪声、功耗和长期可用率”的组合。

第二，封装和制造良率将直接决定成本

双层金凸点方案的意义在于不需要对CMOS芯片进行复杂后加工，同时保留柔性探针的机械顺应性。10分钟完成数千点键合，为规模化制造提供了想象空间。但92%的可用率意味着仍有数百个通道可能失效；对于科研映射可以通过通道筛选容忍，对于临床产品则需要更高良率、可追溯检测和寿命验证。

第三，数据和功耗会成为下一轮系统瓶颈

1.3 Gb/s原始数据适合通过线缆传输到外部控制器，但很难直接搬到植入式或无线系统。压缩、特征提取、事件驱动采样和片上推理可能降低传输负担，同时也会改变系统是否保留原始数据、如何验证算法以及怎样处理升级风险。论文提出无线传输、实时压缩和片上机器学习作为后续方向，这些能力将决定平台能否从实验室采集设备进一步演化。

第四，模块化互连提供了跨电极形态复用的可能

ASIC与探针采用节距匹配的独立接口，理论上不仅可以连接脑表阵列，还可以扩展到穿透式电极、化学传感器和光电器件。对企业而言，这种“通用后端+不同前端探针”的平台策略，有机会摊薄芯片开发和数据系统投入。不过，不同电极的阻抗、刺激电荷、机械结构和灭菌要求差异很大，接口通用并不等于产品可以直接复用。

   还需要补上的验证

这项研究目前仍是一套面向科研的工程原型。动物实验为麻醉状态下的急性记录，没有给出慢性植入、自由活动或跨天稳定性；人脑尺寸阵列未进入人体实验；刺激功能停留在台架和电化学验证，没有在体神经调控结果；系统通过microHDMI线缆连接外部控制器，也没有展示闭环实时处理。

如果目标是临床或长期脑机接口，后续至少需要回答四个问题：柔性阵列和封装能否经受长期体液环境；数千通道在数月或数年尺度上的有效率如何变化；刺激伪迹、组织安全和电荷平衡能否在体闭环验证；以及在无线带宽和功耗受限的条件下，哪些原始信息可以被压缩而不损害临床任务。

   结语

这套5376通道μECoG系统尚不是可以直接部署的临床脑机接口，但它完成了一次有代表性的系统级贯通：电极阵列不只做到了高密度，后端芯片也能全通道读取，探针与芯片之间则有了可扩展的高密度连接方式。对产业而言，5376这个数字的意义不在于刷新纪录，而在于提醒行业：当通道数从数百走向数千，决定产品边界的将是芯片、封装、数据、功耗和长期可靠性的共同结果。