Kapazitive Mikroelektroden für neurotechnologische Anwendungen

Abstract

Neuroprothesen verwenden Elektroden, um angrenzendes Gewebe mittels elektrischer Reize zu stimulieren, oder um neuronale Signale aufzuzeichnen. Dadurch ist es möglich, durch Krankheit oder Verletzung beeinträchtigte sensorische, motorische oder kognitive Funktionen des menschlichen Körpers wieder herzustellen. Die maximale Einsatzdauer dieser Neuroprothesen wird unter anderem durch die Stabilität der Elektroden in biologischem Gewebe begrenzt. Ein Mechanismus, der zum Ausfall von Elektroden führt, sind elektrisch induzierte Degradationsprozesse. Eine Möglichkeit, diese Degradation zu verhindern, ist die Verwendung von Elektroden, die ein rein kapazitives Verhalten aufweisen. Diese kapazitiven Elektroden zeichnen sich dadurch aus, dass an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt keine Redox-Reaktionen stattfinden können. Auf diese Weise werden irreversible Änderungen der elektrischen Eigenschaften der Elektrode unterbunden.

Bei makroskopischen Elektroden kann die galvanische Trennung zwischen dem Stimulationsgenerator und dem Gewebe durch die Verwendung hochwertiger Kopplungskondensatoren erreicht werden. Bei Implantaten, die auf begrenzter Fläche eine hohe Anzahl von Mikroelektroden aufweisen, ist dies jedoch nicht möglich. Stattdessen muss in diesem Fall die kapazitive Trennung direkt auf der Ebene der Elektroden erfolgen. Dies geschieht durch Beschichtung der Mikroelektroden mit einem geeigneten Dielektrikum.

In dieser Arbeit wurden kapazitive Mikroelektroden mit verschiedenen Dielektrika und unterschiedlichen Verfahren in Dünnschichttechnik hergestellt. Es wurden Dielektrika mit hoher relativer Permittivität (BaTiO3, TiO2), hoher Bandlücke (HfO2), sowie Materialien, die diese Eigenschaften kombinieren (TixZr1-xO2), untersucht. Zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften der kapazitiven Mikroelektroden wurden Testsysteme, Messprotokolle und Messaufbauten entworfen und realisiert. Es wurden die Flächenkapazität, die effektive relative Permittivität, das Leckstromverhalten, die Durchbruchfeldstärke und das elektrische Rauschen der verschiedenen Dielektrika ermittelt.

Für die Abscheidung von Bariumtitanat (BaTiO3) wurde ein Prozess etabliert. Die Parameter des Beschichtungsprozesses und der anschließenden Temperaturbehandlung wurden durch Röntgenspektroskopie und Röntgenbeugung, sowie durch Aufnahmen im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) evaluiert und angepasst. Um die Schichtfolge kapazitiver Mikroelektroden im TEM untersuchen zu können, wurde dafür ein Präparationsprozess entwickelt, bei dem die Probe mittels eines fokussierten Ionenstrahl freigeschnitten und gedünnt wird.

Generell lässt sich sagen, dass die untersuchten gesputterten Schichten deutlich höhere Permittivitäten aufweisen als die mittels Atomic Layer Deposition (ALD) abgeschiedenen Schichten. Dahingegen überzeugen die ALD-Schichten durch sehr geringe Leckströme und hohe Durchbruchfeldstärken. Je nach Anwendung und daraus resultierenden Anforderungen an die Elektroden, wie beispielsweise notwendiger Ladungsübertrag oder maximal zulässiger Leckstrom, können die gewonnenen Daten als Grundlage für das Design kapazitiver Elektroden auf neuen Neuroprothesen verwendet werden.

Neural prostheses are devices comprising electrodes that record neuronal signals or stimulate adjacent tissue with electrical pulses towards restoring sensory, motor or cognitive functions of the human body that have been damaged due to injury or disease. The maximum time span for applying these devices is limited by the stability of the electrodes: contact with biological tissue might lead to modification of the properties, among other effects. Electrically induced degradation processes are one of the mechanisms leading to malfunction of the electrodes. Electrodes showing purely capacitive behavior offer the possibility to prevent such degradation. In comparison to other types of electrodes, capacitive electrodes do not exhibit redox reactions at the interface between electrode and electrolyte, thus inhibiting irreversible changes to the electrical characteristics of the electrodes.

In implants using electrodes with macroscopic dimensions, the galvanic separation between the stimulus generator and the tissue is achieved by employing high-quality coupling capacitors. However, this is not possible in an implant which features a large number of microelectrodes in limited space. In this case, the capacitive isolation needs to be achieved on the electrode level. This is accomplished by coating the microelectrodes with a suitable dielectric.

In this work, capacitive microelectrodes with different dielectrics were fabricated using different thin film technology procedures. Dielectrics with high relative permittivity (BaTiO3, TiO2), high band gap (HfO2) and materials combining these properties (TixZr1-xO2) were investigated. Test systems, measurement protocols and setups were designed and implemented to determine the electrical characteristics of these capacitive microelectrodes. The capacitance per area, effective relative permittivity, leakage current behavior, breakdown field strength and electrical noise of different dielectrics were measured.

A deposition process for barium titanate (BaTiO3) serving as the dielectric layer of capacitive microelectrodes was established. The parameters of this coating process and the subsequent temperature treatment were evaluated and adjusted using X-ray spectroscopy, X-ray diffraction and transmission electron microscope (TEM) imaging. By developing a preparation process that uses a focused ion beam to cut out and thin samples for TEM imaging, it was possible to analyze the layer stack of capacitive microelectrodes with high spatial resolution.

In conclusion, the investigated sputtered dielectric layers showed significantly higher permittivities than the layers fabricated by atomic layer deposition whereas the latter layers exhibited very small leakage currents and high breakdown field strengths. The acquired data can be used as a basis for the design and the layout of capacitive electrodes for future neural prostheses, depending on the application and relevant prerequisites in terms of electrode properties, such as charge transfer or maximum acceptable leakage current.