Design, development and evaluation of a high spatial density CMOS chip for bidirectional communication with electrogenic cells

• Entwurf, Entwicklung und Evaluation eines hochauflösenden CMOS-Chips für die bidirektionale Kommunikation mit elektrisch aktiven Zellen

Yegin, Ugur; Mokwa, Wilfried (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2012)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Kurzfassung

In dieser Arbeit werden 2 von uns entworfene CMOS-Chips präsentiert, die für die bidirektionale Kopplung mit elektrisch aktiven Zellen konzipiert wurden. Zusätzlich wurde für beide Chips ein Messsystem, das Komponenten für die Steuerung der Chips sowie die Digitalisierung der Daten, die sie liefern entwickelt. Um die Steuerung und das Ablesen und Auswerten der Daten leichter für den Benutzer zu gestalten, wurde auch noch eine auf LabView basierende Software entwickelt, die die komplexen Steuerungs- und Ausleseoperationen des gesamten Systems verdeckt hält und dem Benutzer eine leicht zu bedienende Oberfläche anbietet. Zusätzlich zu diesen beiden Hauptprojekten, die den großen Teil dieser Arbeit bilden, wurde auch die Möglichkeit, einen Fingerabruck-Sensor (FPC1011F von Fingerprints) zu dem gleichen Zweck einzusetzen, wie die beiden CMOS Chips, die bereits erwähnt worden sind. Auch für diesen Chip musste ein eigenes Auslesesystem aufgebaut und eine einfache Softwareoberfläche programmiert werden. Die beiden ersten Chips, Calibur und Zulfiqar wurden in unserem Hause mit Hilfe von industriell eingesetzten Design- und Simulationswerkzeugen entworfen, simuliert und verifiziert. Die anschließende Fabrikation fand durch die Mitgliedschaft unseres Institutes bei Europractice in den Reinräumen der ON-Semiconductor statt. Für Calibur wurde ein 0.5µm 3M2P Technologie eingesetzt, für Zulfiqar wurde die 0.35µm 5M1P Technologie der gleichen Firma gewählt. Beide Chips verfügten über ein zentrales Sensorarray von 64x64 Pixeln, die individuell ausgelesen und kalibriert werden könnten. Jeder Pixel bot auch die Möglichkeit, als eine Stimulationselektrode benutzt zu werden, um elektrische Pulse an die Zellen, die auf den Pixel lagen, weiterzugeben. Das Funktionsprinzip beider Chips basierte auf dem Floating-Gate Transistor. Die Gates der Messtransistoren in jedem Pixel von sowohl Calibur als auch Zulfiqar waren mittels mehrerer Vias und Metallisierungsschichten mit Elektroden an der Oberfläche des Chips verbunden, die als einzig elektrisch aktiver Teil der gesamten Schaltung mit dem Elektrolyten, in dem sich die Zellen aufhielten, in Kontakt waren. Die gesamte Oberfläche des Chips wurde mit einem dünnen Film passiviert, das eine hohe dielektrische Permittivität (high-k, wie es in der englischsprachigen Literatur heißt) haben sollte, um eine gute kapazitive Kopplung der Zellen und des Transistorgates herzustellen. Der erste Chip, Calibur, wurde bereits von Dr. Ing. Mathias Schindler während seiner Doktorarbeit entworfen und von Europractice hergestellt. Calibur hatte außerhalb seines 64x64 Arrays eine Bank von Verstärkern (ein Verstärker pro Zeile), die die Signale der einzelnen Pixel verstärken sollten, bevor sie digitalisiert wurden. An diesem Chip musste die Oberflächenpassivierung mit den high-k Materialien verfeinert werden. Hierzu wurden unterschiedliche Abscheidungstechniken und Materialien ausprobiert. Am Ende wurden zwei per ALD (Atomic Layer Deposition) abgeschiedene Materialsysteme, eine 4-lagige Al2O3/Ta2O5 bzw. eine 3-lagige TiO2/HfO2 Beschichtung als akzeptable Oberflächenpassivierungen eingesetzt. Die Kenntnisse, die mit Hilfe dieser Charakterisierungsexperimente gewonnen wurden, wurden auch für Zulfiqar eingesetzt. Für Zulfiqar wurde ein neues Konzept eingesetzt: Im Gegensatz zu Calibur, dessen Pixel über keine Verstärkerschaltung verfügten, wurde in jedes Pixel von Zulfiqar eine differenziell strukturierte Common-Source Verstärkerschaltung eingebaut, die die Zellsignale direkt im Pixel verstärkte. Zusätzlich dazu wurden die Signale der einzelnen Pixel durch einen Hauptverstärker auf dem Chip zum 2. Mal verstärkt. Hierdurch konnte Zulfiqar bei den elektrischen Charakterisierungsexperimenten viel geringere Spannungen detektieren als Calibur. Der Fingerabruck-Sensor wurde auch elektrisch charakterisiert, um dessen Einsatz als eine preisgünstige und einfache Alternative für die teuren Calibur und Zulfiqar Chips zu evaluieren. Leider war es unmöglich, Spannungen in einem elektrophysiologisch relevanten Bereich mit diesem Chip aufzulösen. Dies lag zum größten Teil an der dicken Polyamid-Beschichtung auf der Oberfläche des Chips, die die darunter liegende Schaltung von Kratzern schützen sollte. Es wurde auch bewiesen, dass neuronale Zellen sowohl auf Calibur als auch auf Zulfiqar mit ihren Al2O3/Ta2O5 bzw. TiO2/HfO2 Passivierungen gut wachsen können.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik [611510]