Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5135
Main Title: A system for purely capacitive in-vivo neural tissue interfacing with high spatiotemporal resolution
Translated Title: Ein System für eine rein kapazitive in-vivo Nervengewebe Schnittstelle mit hoher Raum-Zeit-Auflösung
Author(s): Schröder, Sven
Advisor(s): Thewes, Roland
Referee(s): Thewes, Roland
Vassanelli, Stefano
De Venuto, Daniela
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: In this work a measurement system is developed for purely capacitive in-vivo recording and stimulation of neural activity with high spatiotemporal resolution. For this purpose needle chips are developed based on a standard CMOS process extended by specific post-CMOS processes. The needle chips provide multi electrode arrays of up to 256 recording sites/channels or 100 recording sites/channels and 10 stimulation sites. Different needle shapes as well as different sensor arrays are available. By using a specific electrical topology of the sensor array and a particular readout algorithm the amount of bondpads and interconnect wires is reduced to maximally 36. The sensor dielectric required for capacitive coupling and for electrical isolation of the needle chips is processed using a 3D atomic-layer-deposition (ALD) process. Electrical properties of the sensor dielectric are characterized with respect to permittivity and leakage current density. The optimum parameters for operation of the needle chips are simulated and experimentally investigated. The required control unit is optimized regarding signal-to-noise-ratio (SNR). The entire measurement setup is dimensioned in a way that extracellular measured action potentials as well as local field potentials with amplitudes in the order of 0.1 mV can be detected. First biological in-vivo measurements demonstrate the feasibility of purely capacitive in-vivo recording of neural activity with high spatiotemporal resolution.
In der vorliegenden Arbeit wird ein Messsystem für die rein kapazitive in-vivo-Ableitung und Stimulation neuronaler Aktivität mit hoher raumzeitlicher Auflösung entwickelt. Dafür entwickelte nadelförmige Sensoren basieren auf einer Standard-CMOS-Technik erweitert um spezielle post-CMOS Prozesse. Sie besitzen Multi-Elektroden-Arrays mit bis zu 256 Ableitungspositionen/Kanälen oder bis zu 100 Ableitungspositionen/Kanälen und 10 Stimulationspositionen. Es sind sowohl unterschiedliche Nadelformen wie auch unterschiedliche Sensor-Arrays vorhanden. Durch eine spezielle elektrische Topologie des Sensor-Arrays und eines speziellen Auslesealgorithmus kann die Anzahl von Bondkontakten und Zuleitungen auf maximal 36 reduziert werden. Das für kapazitive Kopplung und zur elektrischen Isolation der Nadel-Chips notwendige Sensor-Dielektrikum wird mit einem 3D Atomic-Layer-Deposition (ALD) Prozess abgeschieden. Dessen elektrische Eigenschaften werden bezüglich Dielektrizitätskonstante und Leckstromdichte charakterisiert. Die optimalen Parameter für den Betrieb der Nadel-Chips werden sowohl simuliert als auch messtechnisch untersucht. Eine für den Betrieb der Nadel-Chips entwickelte Steuerelektronik wird bezüglich des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) optimiert. Das gesamte Messsystem wird so dimensioniert, dass sowohl extrazellulär gemessene Aktionspotentiale als auch lokale Feldpotentiale in der Größenordnung von 0.1 mV Amplitude detektiert werden können. Erste biologische in-vivo Messungen zeigen die Machbarkeit der rein kapazitiven in-vivo-Ableitung neuronaler Aktivität mit hoher raumzeitlicher Auflösung.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5464
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5135
Exam Date: 25-Jan-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 23-May-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): in-vivo recording
neural tissue
EOSFET
capacitive interfacing
needle chips
in-vivo Ableitung
neuronales Gewebe
kapazitive Kopplung
Nadel-Chips
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 4 Elektrotechnik und Informatik » Institut für Energie- und Automatisierungstechnik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
schroeder_sven.pdf7.5 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.