ПРОЕКТИРОВАНИЕ КРЕМНИЕВОГО МИКРОЗОНДА ДЛЯ МАЛОИНВАЗИВНОГО НЕЙРОИНТЕРФЕЙСА

  • Е.Ю. Гусев Южный федеральный университет
  • А. В. Сарыев Южный федеральный университет
Ключевые слова: Многоэлектродный микрозонд, анизотропное жидкостное травление, кремний

Аннотация

Микрозонды стали важным инструментом исследования нейронной активности.
Исследования и разработки в области инвазивных нейроинтерфейсов направленны на сни-
жение характерного повреждения нервной ткани за счет уменьшения диаметра имплан-
тируемых зондов менее 100 мкм. Подобные структуры изготавливают методами микро-
обработки, в частности различными видами анизотропного травления. При этом на раз-
меры и форму зонда оказывают влияние условия травления. Последние должны учиты-
ваться на этапе проектирования конструкции зонда. В работе проведена оценка диапазо-
нов геометрических параметров кремниевого микрозонда с учетом условий травления и
количества электродов. Аналитические расчеты проводили для структуры зонда, пред-
ставленной четырьмя областями различной ширины, несущих до семи электродов. Получе-
ны зависимости ширины нижнего основания трапециевидного сечения зонда и размера
маски от толщины и ширины верхнего основания зонда. Установлены допустимые диапа-
зоны размеров для предложенного варианта четырехуровнего микрозонда; в частности,
минимальные значения ширины верхнего основания, составили 17, 28, 39 и 50 мкм, а соот-
ветствующие им диапазоны допустимых значений толщин зонда для вариантов с 1 элек-
тродом – 30–58 мкм, 2 и 3 электродами – 30–51 мкм, 4 и 5 электродами – 30–43 мкм, а для
случая зонда с 6 и 7 электродами – 30–35 мкм. Выполнена оценка величины коррекции раз-
мера маски, отражающая влияния условий травления на геометрию зонда.

Литература

1. Rivnay J., Wang H., Fenno, L. [et al.]. Next-generation probes, particles, and proteins for neural
interfacing, Science Advances, 2017, Vol. 3 (6), e1601649.
2. Seymour J.P., Wu F., Wise K.D. [et al.]. State-of-the-art MEMS and microsystem tools for
brain research // Microsystems & Nanoengineering. – 2017. – Vol. 3. – 16066.
3. Obidin N., Tasnim F., Dagdeviren C. The Future of Neuroimplantable Devices: A Materials
Science and Regulatory Perspective, Advanced Materials, 2019, Vol. 32 (15), 1901482.
4. Szostak K.M., Grand L., Constandinou T.G. Neural Interfaces for Intracortical Recording:
Requirements, Fabrication Methods, and Characteristics // Frontiers in Neuroscience. – 2017.
– Vol. 11. – 665.
5. Leuthardt E.C., Schalk G., Wolpaw J.R. [et al.]. A brain-computer interface using
electrocorticographic signals in humans, J. Neural Eng., 2004, Vol. 1, pp. 63-71.
6. Normann R.A., Fernandez E. Clinical applications of penetrating neural interfaces and Utah
Electrode Array technologies, Journal of Neural Engineering, 2016, Vol. 13 (6), 061003.
7. Govindarajan A.V., Je M., Park W.-T., Achyuta A.K.H. MEMS as implantable neuroprobes,
MEMS for Biomedical Applications. Woodhead Publishing Limited, 2012, pp. 361-395.
8. Jun J.J., Steinmetz N.A., Siegle J.H. [et al.]. Fully integrated silicon probes for high-density
recording of neural activity, Nature, 2017, Vol. 551, No. 7679, pp. 232-236.
9. Gao K., Li S., Zhuang L. [et al.]. In vivo bioelectronic nose using transgenic mice for specific
odor detection, Biosensors and Bioelectronics, 2018, Vol. 102, pp. 150-156.
10. Negi S., Bhandari R. Silicon isotropic and anisotropic etching for MEMS applications, Microsystem
Technologies, 2013, Vol. 19 (2), pp. 203-210.
11. Nanotekhnologii v mikroelektronike [Nanotechnologies in microelectronics], ed. by
O.A. Ageeva, B.G. Konoplyova. Moscow: Nauka, 2019, 511 p. ISBN 978-5-02-040201-0.
12. Shikida M., Sato K., Tokoro K., Uchikawa D. Differences in anisotropic etching properties of KOH
and TMAH solutions, Sensors and Actuators A: Physical, 2000, Vol. 80, No. 2, pp. 179-188.
13. Zubel I. Anisotropic etching of Si, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2019,
Vol. 29, No. 9, 093002.
14. Rao A.V.N., Swarnalatha V., Pal P. Etching characteristics of Si {110} in 20% KOH with addition
of hydroxylamine for the fabrication of bulk micromachined MEMS, Micro and Nano Systems
Letters, 2017, Vol. 5, No. 23, pp. 1-9.
15. Malokhatko S.V., Gusev E. Yu. Issledovaniye maskiruyushchikh svoystv plenok oksida
kremniya dlya sozdaniya kremniyevykh membran metodom zhidkostnogo travleniya [Research
of masking properties of silicon oxide films for silicon membrane fabrication by wet
etching], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2020,
No. 6, pp. 196-203.
16. Stiller A.M., González-González M.A., Boothby J.M. [et al.]. Mechanical considerations for
design and implementation of peripheral intraneural devices, Journal of Neural Engineering,
2019, Vol. 16 (6), 064001.
17. Seidel H., Csepregi L., Heuberger A. [et al.]. Anisotropic etching of crystalline silicon in alkaline
solutions I. Orientation dependence and behavior of passivation layers, Journal of the
Electrochemical Society, 1990, Vol. 137 (11), pp. 3612-3625.
18. Malohatko S.V., Gusev E.Yu., Ageev O.A. Razrabotka strelovidnogo kantilevera dlya
mnogochastotnoj atomno-silovoj mikroskopii [Development of the swept cantilever for
multifrequency atomic force microscopy], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya
SFedU. Engineering Sciences], 2019, No. 3, pp. 171-178.
19. Gusev E.Yu., Jityaeva J.Y. Tekhnologiya izgotovleniya mnogoelektrodnogo mikrozonda dlya
maloinva-zivnogo nejrokomp'yuternogo interfejsa [Process technology of multielectrode microprobe
for a minimally invasive neurocomputer interface], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie
nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2019, No. 6, pp. 61-70.
20. Pal P., Swarnalatha V., Rao A.V.N. [et al.]. High speed silicon wet anisotropic etching for applications
in bulk micromachining: a review, Micro and Nano Systems Letters, 2021, Vol. 9, 4.
Опубликован
2021-08-11
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ II. ЭЛЕКТРОНИКА И НАНОТЕХНОЛОГИИ