High-Density 3D Pyramid-Shaped Microelectrode Arrays for Brain-Machine Interface Applications

RÉSUMÉ Les dispositifs médicaux dédiés aux enregistrements des activités neuronales et à la stimulation de tissus nerveux sont appelés interfaces cerveau-machines. Ils offrent un potentiel important pour restaurer diverses fonctions neurologiques perdues. Un élément clé dans la mise en œuvre des dispositifs est le réseau de microélectrodes (MEAs pour MicroElectrode Arrays en anglais) servant d’interface avec les tissus nerveux. Les MEA jouent un rôle important dans les implants lors d’expérimentations chroniques, ils doivent être fiables, stables et efficaces pour l'enregistrement et la stimulation à long terme. Les propriétés électrochimiques et la compatibilité biologique des microélectrodes sont des facteurs essentiels qui doivent être prises en compte lors de leur conception et fabrication. La présente thèse traite de la conception et la fabrication de MEA en silicium micro-usiné à haute densité et en forme de pyramides qui sont destinés à l’enregistrement et la stimulation intracorticals 3D. Nous nous concentrons principalement sur les techniques de microfabrication des électrodes et le développement de procédure du revêtement de matériaux nécessaires pour la biocompatibilité et protection des dispositifs implantables. Nous élaborons des microélectrodes à hauteur variable pour enregistrer des signaux neuronaux, sans perdre la capacité de microstimulation et tout en maintenant des impédances de faibles valeurs. Cette caractéristique est obtenue en modifiant la géométrie et la composition de matériaux utilisés, ce qui facilite l'injection de charge et la résolution spatiale élevée. Nous présentons une nouvelle technique de micro-usinage 3D à nombre réduit de masques comparé aux techniques existantes. Nous décrivons la mise en œuvre d’un MEA à haute densité (25 électrodes / 1,96 mm2) et à différentes longueurs d’électrodes. En outre, une nouvelle technique de masquage à base de film sec a été développée pour obtenir de très petites surfaces actives pour les microélectrodes qui sont à hauteur variable. Nous avons réduit les étapes du procédé de masquage de 14 à 6 par rapport à la méthode classique de masquage utilisé dans la littérature. Nous avons ensuite effectué, pour la première fois, une croissance directe sélective de nanotubes de carbone sur les têtes de microélectrodes de longueurs variables en utilisant la technique du dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition - PECVD).----------ABSTRACT Neuroprosthetic devices that can record neural activities and stimulate the central nervous system (CNS), called brain-machine interfaces (BMI), offer significant potential to restore various lost neurologic functions. A key element in functions restoration is Microelectrode arrays (MEAs) implanted in neural tissues. MEAs, which act as an interface between bioelectronic devices and neural tissues, play an important role in chronic implants and must be reliable, stable, and efficient for long-term recording and stimulation. Electrochemical properties and biological compatibility of chronic microelectrodes are essential factors that must be taken into account in their design and fabrication. The present thesis deals with the design and fabrication of silicon micromachined, high-density, pyramid-shaped neural MEAs for intracortical 3D recording and stimulation. The focused is mainly on the MEAs fabrication techniques and development of coating materials process required with implantable devices with an ultimate purpose: elaborate variable-height microelectrodes to obtain consistent recording signals from small groups of neurons without losing microstimulation capabilities, while maintaining low-impedance pathways for charge injection, high charge transfer, and high-spatial resolution by altering the geometries and material compositions of the array. In the first part of the thesis, we present a new 3D micromachining technique with a single masking step in a time and cost effective manner. A high density 25 electrodes/ 1.96 mm2 MEA with varying lengths electrodes to access neurons that are located in different depths of cortical tissue was designed and fabricated. Furthermore, a novel dry-film based masking technique for procuring extremely small active area for variable-height electrodes has been developed. With this technology, we have reduced the masking process steps from 14 to 6 compared to the conventional masking method. We have then reported for the first time a selective direct growth of carbon nanotubes (CNTs) on the tips of 3D MEAs using Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) that could enhance electrical properties of the electrodes significantly. The CNT coating led to a 5-fold decrease in impedance and a 600-fold increase in charge transfer compared with Pt electrode. Finally, we have highlighted the importance of the coating MEAs with bioactive molecules (Poly-D-lysine) and polyethylene glycol (PEG) hydrogels to minimize the immune response of the neural tissue to implanted MEAs by in vitro cell-culture tests

Direct growth of carbon nanotubes on new high-density 3D pyramid-shaped microelectrode arrays for brain-machine interfaces

Silicon micromachined, high-density, pyramid-shaped neural microelectrode arrays (MEAs) have been designed and fabricated for intracortical 3D recording and stimulation. The novel architecture of this MEA has made it unique among the currently available micromachined electrode arrays, as it has provided higher density contacts between the electrodes and targeted neural tissue facilitating recording from different depths of the brain. Our novel masking technique enhances uniform tip-exposure for variable-height electrodes and improves process time and cost significantly. The tips of the electrodes have been coated with platinum (Pt). We have reported for the first time a selective direct growth of carbon nanotubes (CNTs) on the tips of 3D MEAs using the Pt coating as a catalyzer. The average impedance of the CNT-coated electrodes at 1 kHz is 14 k. The CNT coating led to a 5-fold decrease of the impedance and a 600-fold increase in charge transfer compared with the Pt electrode

A Wireless, High-Voltage Compliant, and Energy-Efficient Visual Intracortical Microstimulator

RÉSUMÉ L’objectif général de ce projet de recherche est la conception, la mise en oeuvre et la validation d’une interface sans fil intracorticale implantable en technologie CMOS avancée pour aider les personnes ayant une déficience visuelle. Les défis majeurs de cette recherche sont de répondre à la conformité à haute tension nécessaire à travers l’interface d’électrode-tissu (IET), augmenter la flexibilité dans la microstimulation et la surveillance multicanale, minimiser le budget de puissance pour un dispositif biomédical implantable, réduire la taille de l’implant et améliorer le taux de transmission sans fil des données. Par conséquent, nous présentons dans cette thèse un système de microstimulation intracorticale multi-puce basée sur une nouvelle architecture pour la transmission des données sans fil et le transfert de l’énergie se servant de couplages inductifs et capacitifs. Une première puce, un générateur de stimuli (SG) éconergétique, et une autre qui est un amplificateur de haute impédance se connectant au réseau de microélectrodes de l’étage de sortie. Les 4 canaux de générateurs de stimuli produisent des impulsions rectangulaires, demi-sinus (DS), plateau-sinus (PS) et autres types d’impulsions de courant à haut rendement énergétique. Le SG comporte un contrôleur de faible puissance, des convertisseurs numérique-analogiques (DAC) opérant en mode courant, générateurs multi-forme d’ondes et miroirs de courants alimentés sous 1.2 et 3.3V se servant pour l’interface entre les deux technologies utilisées. Le courant de stimulation du SG varie entre 2.32 et 220μA pour chaque canal. La deuxième puce (pilote de microélectrodes (MED)), une interface entre le SG et de l’arrangement de microélectrodes (MEA), fournit quatre niveaux différents de courant avec la valeur maximale de 400μA par entrée et 100μA par canal de sortie simultanément pour 8 à 16 sites de stimulation à travers les microélectrodes, connectés soit en configuration bipolaire ou monopolaire. Cette étage de sortie est hautement configurable et capable de délivrer une tension élevée pour satisfaire les conditions de l’interface à travers l’impédance de IET par rapport aux systèmes précédemment rapportés. Les valeurs nominales de plus grandes tensions d’alimentation sont de ±10V. La sortie de tension mesurée est conformément 10V/phase (anodique ou cathodique) pour les tensions d’alimentation spécifiées. L’incrémentation de tensions d’alimentation à ±13V permet de produire un courant de stimulation de 220μA par canal de sortie permettant d’élever la tension de sortie jusqu’au 20V par phase. Cet étage de sortie regroupe un commutateur haute tension pour interfacer une matrice des miroirs de courant (3.3V /20V), un registre à décalage de 32-bits à entrée sérielle, sortie parallèle, et un circuit dédié pour bloquer des états interdits.----------ABSTRACT The general objective of this research project is the design, implementation and validation of an implantable wireless intracortical interface in advanced CMOS technology to aid the visually impaired people. The major challenges in this research are to meet the required highvoltage compliance across electrode-tissue interface (ETI), increase lexibility in multichannel microstimulation and monitoring, minimize power budget for an implantable biomedical device, reduce the implant size, and enhance the data rate in wireless transmission. Therefore, we present in this thesis a multi-chip intracortical microstimulation system based on a novel architecture for wireless data and power transmission comprising inductive and capacitive couplings. The first chip is an energy-efficient stimuli generator (SG) and the second one is a highimpedance microelectrode array driver output-stage. The 4-channel stimuli-generator produces rectangular, half-sine (HS), plateau-sine (PS), and other types of energy-efficient current pulse. The SG is featured with low-power controller, current mode source- and sinkdigital- to-analog converters (DACs), multi-waveform generators, and 1.2V/3.3V interface current mirrors. The stimulation current per channel of the SG ranges from 2.32 to 220μA per channel. The second chip (microelectrode driver (MED)), an interface between the SG and the microelectrode array (MEA), supplies four different current levels with the maximum value of 400μA per input and 100μA per output channel. These currents can be delivered simultaneously to 8 to 16 stimulation sites through microelectrodes, connected either in bipolar or monopolar configuration. This output stage is highly-configurable and able to deliver higher compliance voltage across ETI impedance compared to previously reported designs. The nominal values of largest supply voltages are ±10V. The measured output compliance voltage is 10V/phase (anodic or cathodic) for the specified supply voltages. Increment of supply voltages to ±13V allows 220μA stimulation current per output channel enhancing the output compliance voltage up to 20V per phase. This output-stage is featured with a high-voltage switch-matrix, 3.3V/20V current mirrors, an on-chip 32-bit serial-in parallel-out shift register, and the forbidden state logic building blocks. The SG and MED chips have been designed and fabricated in IBM 0.13μm CMOS and Teledyne DALSA 0.8μm 5V/20V CMOS/DMOS technologies with silicon areas occupied by them 1.75 x 1.75mm2 and 4 x 4mm2 respectively. The measured DC power budgets consumed by low-and mid-voltage microchips are 2.56 and 2.1mW consecutively