Fraunhofer-Gesellschaft

Publica

Hier finden Sie wissenschaftliche Publikationen aus den Fraunhofer-Instituten.

Entwicklung und Charakterisierung CMOS-kompatibler dreidimensionaler Mikro-Stimulationselektroden-Arrays

Development and characterization of CMOS compatible, threedimensional microelectrode arrays for electrostimulation
 
: Ewe, L.

Duisburg, 2000, 111 pp. : Ill., graph. Darst., Lit.
Duisburg, Univ., Diss., 2000
German
Dissertation
Fraunhofer IMS ()
microelectrodes; functional electrostimulation; electrode array; Iridium; gold; threedimensional; CMOS compatibility; scanning potential microscopy; impedance measurement; cyclic voltammetry; zyklische Voltametrie; Mikroelektrode; funktionelle Elektrostimulation; Elektrodenarray; Rastermikroskop; Scheinwiderstandsmessung

Abstract
Gegenstand der Dissertation ist die Entwicklung und die Charakterisierung von dreidimensionalen Elektrodenarrays zur Stimulation von Nervenzellen. Die Hauptbedingung für die Entwicklung des Fertigungsprozesses war dabei die Kompatibilität zu bestehenden CMOS-Prozessen, um eine Herstellung von Ansteuerschaltung und Elektrode auf einem Substrat zu ermöglichen. Unter der Berücksichtigung von technischen und medizinischen Randbedingungen erfolgte ein Design von Elektrodenarrays mit variierenden Geometrieparametern und Elektrodenformen. Der gesamte CMOS-Prozeß muß für die Integration von dreidimensionalen Elektroden um zwei weitere Masken ergänzt werden. Durch eine Kombination einer Goldgalvanik in hohen, strukturierten Fotolackschichten von 10 µm bis zu 100 µm Dicke und einer Galvanik zur Abscheidung von Iridium aus einem wässrigen Elektrolyten, konnten Elektroden erzeugt werden, die die Vorzüge penetrierender Elektroden in Nervengewebe mit den Vorzügen von Iridium als Elektrodenmaterial mit seinen positiven Eigenschaften kombinieren. Zur elektrochemischen Charakterisierung der Elektroden wurden Zyklovoltamogramme verschiedener Elektrodenmaterialien aufgenommen und bezüglich ihrer Eigenschaften als Stimulationselektrodenmaterial diskutiert. Dabei zeigten die iridiumüberzogenen Goldelektroden die günstigsten Elektrodeneigenschaften. Mit der Messung der Impedanzen verschiedener Elektrodenmaterialien konnten überdies eine signifikante Impedanzverminderung durch den Iridiumüberzug gegenüber unbeschichteten Goldelektroden gezeigt werden. Neben elektrochemischen Verfahren zur Elektrodencharakterisierung wurde ein Meßaufbau realisiert, mit dem die ortsaufgelöste Messung der Potentialverteilung an Stimulationselektroden in elektrolytischer Umgebung gelingt. Durch den Vergleich mit den aus den Simulationen erhaltenen Aussagen konnten die Vorteile des hier entwickelten rasterpotentiometrischen Meßverfahrens gegenüber älteren, differentiell arbeitenden Verfahren gezeigt werden. Aus Messungen an verschiedenen Elektrodenformen und -geometrien ließen sich so Aussagen bezüglich ihrer prinzipiellen Eignung und ihren voraussichtlichen Eigenschaften als Stimulationselektroden gewinnen.

 

The subject of this thesis is the development and the characterization of threedimensional electrode arrays for the electrostimulation of neural cells. For the development of the electrode fabrication process special attention was paid to the compatibility with existing CMOS processes. This allows the fabrication of electrodes and electronic control circuitry on the same substrate in a close distance without the need of further assembly techniques. The fabrication process of the electrode arrays essentially consists of electrodeposition of gold to form the threedimensional electrode structures and a further electrodeposition of iridium in order to improve the electrode characteristics significantly. Cylic voltammetry and impedance measurements were performed to characterize and compare the fabricated iridium electrode arrays with other common electrode materials such as platinum, gold and titanium nitride. It was shown that the iridium electrodes have lower impedances over the considered frequency ranges and higher permissible clamp voltages for electrostimulation. Furthermore a method and a device for scanning potential microscopy was developed. Measurements of the local potential distribution of different electrode configurations and electrode shapes in saline solutions have been performed using this scanning potential microscope. In this way results obtained by finite element simulations have been verified experimentally. It was also shown that the presented method offers a better spatial resolution than previously reported methods.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-2372.html