Microelectrodes for biomedical devices

Abstract

Os avanços em miniaturização, assim como a introdução de novos materiais tem permitido, e continuará a permitir, a expansão do campo de dispositivos médicos. Frequentemente, as interfaces entre estes dispositivos e o corpo humano tem por base elétrodos de platina e silicones. Todavia, materiais de elétrodo alternativos, como o nitreto de titânio, que não se baseiam em injeção de carga do tipo farádica com potenciais reações irreversíveis, e que são mais acessíveis em salas limpas para processos de CMOS, aumentam o potencial de integração dos dispositivos e a sua segurança para o corpo humano. Desta forma, visionamos um dispositivo médico implantável com elétrodo em nitreto de titânio, com injeção de carga de tipo capacitiva, que tanto possibilita a estimulação de nervos como a leitura da sua actividade. Esta Tese apresenta a análise, desenho, fabrico e caracterização de elétrodos em nitreto de titânio em substratos flexíveis de poliamida, com o tamanho mínimo de microelétrodo de 80 × 80 μm2. A análise de flexibilidade dos elétrodos de nitreto de titânio em poliamida assenta em modelos teóricos, previamente validados, que prevêem um raio de curvatura mínimo de 500 μm. A metodologia para o desenvolvimento dos elétrodos de nitreto de titânio combina várias técnicas de microfabrico, como por exemplo, a fotolitografia, a deposição por vapor químico, o sputtering, e várias técnicas de remoção de materiais. Os elétrodos em poliamida, obtidos a partir de processo em bolachas de silício, podem daí ser destacados e posteriormente integrados em estruturas em forma de algema (cuff). Essas estruturas em cuff foram desenhadas, também no âmbito desta Tese, tendo em conta os requisitos anatómicos do nervo vago do rato, onde foram anatomicamente validadas. Depois do fabrico, os elétrodos foram caracterizados através de três métodos eletroquímicos: espectroscopia de impedância eletroquímica, voltamétrica cíclica e medições em transiente de tensão. Os microelétrodos em nitreto de titânio apresentam uma impedância média de 59 kΩ a 1 kHz, mecanismo capacitivo de injeção de carga com water window de -0.6 V to 0.8 V, e uma capacidade de injeção de carga equivalente a 154 ± 16 μC/cm2, podendo ser usados em aplicações de micro-estimulação cortical ou tomografia por impedância elétrica. Microelétrodos de nitreto de titânio em poliamida, processados de modo compatível com o back-end CMOS e obtidos a partir das bolachas de silício, são uma solução promissora para interface neuronal que, no futuro, pode beneficiar da integração de módulos eletrónicos no chip de silício.

Advances in device miniaturization as well as the introduction of new materials are enabling and will continue to enable an expansion in the field of medical devices. Interfaces between such devices and the human body are often based on platinum electrodes and silicones. However, alternative electrode’s materials, such as TiN, do not rely on faradaic charge injection with potentially irreversible reactions, and are easy to process in CMOS cleanrooms, thus increasing the potential for device integration and safety to human body. Hence, we envision an implanted medical device with TiN as electrode material, with capacitive charge injection that enables stimulation of nerve tissue, as well as readout of its activity. This Thesis addresses the analysis, design, fabrication and characterization of novel TiN electrodes on flexible polyimide substrates, with the smallest microelectrode size of 80 × 80 μm2. The analysis of flexibility of polyimide-based, TiN electrodes is based on previously validated theoretical models that predict an allowed bending radius of 500 μm. A methodology for development of TiN electrodes has been developed that combines various microfabrication techniques, e.g., photolithography, chemical vapor deposition, sputtering, and various etching techniques. Polyimide-based electrodes have been released from silicon wafers and then integrated into cuff structures that were designed to target the rat vagus nerve. Assembled cuffs have been imaged by CT scan, and the cuff dummies (no electrode) were validated in vivo. After fabrication, we characterized the fabricated electrodes by three main electrochemical methods: electrochemical impedances spectroscopy, cyclic voltammetry, and voltage transient measurements. TiN microelectrodes exhibit an average impedance of 59 kΩ at 1 kHz, a capacitive charge injection mechanism with water window of -0.6 V to 0.8 V, and charge injection capacity of 154 ± 16 μC/cm2, making them suitable for applications like intracortical stimulation or electrical impedance tomography. TiN-on-polyimide microelectrodes, processed as back-end CMOS compatible process and then released from silicon wafers, are a promising solution for neural interfaces targeting at submillimeter nerves, which may benefit from future upgrades with die electronic modules.