Microfabrication and electrical characterization of CMOS compatible foldable electrodes for dopamine sensing in brain

Nowadays neural implants are of growing interest in biology and medicine. Direct stimulation and sensing at neuron level can improve our understanding of the brain functioning, while introducing innovative solutions for the treatment of several disorders. In the lively research environment formed around the topic, the Smart Micro Neural Dot project was born, aiming to the development of a wireless and miniaturized cortical visual prosthesis, based on an array of free-standing CMOS microstimulators. To this scope, penetrating foldable electrodes have been developed; however, their innovative design suggests a versatility that goes beyond vision restoration. Electrochemical sensing represents a promising application, since neurotransmitters monitoring is of strong clinical relevance. For example, dopamine dysregulation is associated with neurological disorders, including Parkinson’s and Alzheimer’s disease. The aim of this thesis is to modify and optimize the fabrication process of these electrodes to meet the requirements of electrochemical measurements. The devices are manufactured at the Center of Micro Nano Technology (CMi) of the Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). They comprise a 500×500 µm2 CMOS chip and two shanks opposite to it. The latter are made of Al and are fully insulated by SiO2, while a second metal layer acts as electrical interface. Pt was selected due to its high conductivity and its ability to perform dopamine sensing without surface functionalization, making dopamine also suitable for preliminary electrochemical validation. SiO2 provides metal insulation, exposing only sensing electrodes and test pads. Front-side fabrication is followed by substrate thinning and deep silicon etching of the backside, so to ensure devices release from processing wafer. Electrical characterization verifies insulation effectiveness between metal layers. Finally, preliminary electrochemical impedance measurements confirm the predicted versatility of these CMOS-compatible electrodes, representing a step forward towards ultra-miniaturized neural implants.

Oggigiorno gli impianti neurali sono di crescente interesse per biologia e medicina. La stimolazione e il rilevamento neuronali diretti migliorano la comprensione del funzionamento cerebrale, introducendo al contempo soluzioni innovative per il trattamento di diversi disturbi. Nel vivo ambiente di ricerca sviluppatosi attorno al tema è nato il progetto Smart Micro Neural Dot, finalizzato allo sviluppo di una protesi visiva corticale wireless e miniaturizzata basata su un array di microstimolatori CMOS indipendenti. A tale scopo sono stati sviluppati microelettrodi pieghevoli penetranti; tuttavia il loro design innovativo suggerisce una versatilità che va oltre il solo ripristino della vista. Il rilevamento elettrochimico rappresenta un’applicazione promettente, poiché il monitoraggio dei neurotrasmettitori è di rilevanza clinica. La disregolazione della dopamina, ad esempio, è associata a disturbi neurologici quali morbo di Parkinson e schizofrenia. L’obiettivo di questa tesi è ottimizzare il processo di fabbricazione degli elettrodi per adattarli alle misure elettrochimiche. I dispositivi sono stati realizzati presso il Center of Micro Nano Technology (CMi) dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Sono costituiti da un chip CMOS di 500 ×500 µm2 e da due bracci opposti e da due bracci opposti, in Al e isolati da SiO2;un secondo strato metallico funge da interfaccia elettrica. Il Pt è stato selezionato per l’elevata conduttività e la capacità di rilevare la dopamina senza funzionalizzazione superficiale, rendendola adatta a validazioni preliminari. L’isolamento è garantito da SiO2, lasciando esposti solo elettrodi e pad di test. Alla fabbricazione frontale seguono l’assottigliamento del substrato e un etching profondo del silicio dal lato posteriore per consentire il rilascio dal wafer. La caratterizzazione elettrica ha verificato l’efficacia dell’isolamento tra gli strati metallici. Infine, misure preliminari di impedenza elettrochimica hanno confermato la versatilità di questi elettrodi, rappresentando un passo verso impianti neurali ultra-miniaturizzati.