초록 ▼

지난 30여년동안 생체 신경계의 신경신호기록과 전기적 신경자극 대한 연구가 계속되어왔다. 신경신호기록은 두뇌 등 신경계의 작용을 이해하는 것을 중심으로 하는데, 이를 통해 얻어진 정보를 바탕으로 신경세포에 작은 전류를 흘림으로써 자극하여 마비된 신체의 생리적인 기능을 회복시킬 수 있다. 따라서 이 두가지 연구는 하반신마비, 수족절단, 청각, 시각 등의 장애인 재활을 위한 신경보철 (neural prosthesis) 분야를 형성하고 있다. 이와같은 신경신호기록이나 신경자극에 대한 연구를 현실적으로 가능하게 하는 요소로서 반도체미세전극

지난 30여년동안 생체 신경계의 신경신호기록과 전기적 신경자극 대한 연구가 계속되어왔다. 신경신호기록은 두뇌 등 신경계의 작용을 이해하는 것을 중심으로 하는데, 이를 통해 얻어진 정보를 바탕으로 신경세포에 작은 전류를 흘림으로써 자극하여 마비된 신체의 생리적인 기능을 회복시킬 수 있다. 따라서 이 두가지 연구는 하반신마비, 수족절단, 청각, 시각 등의 장애인 재활을 위한 신경보철 (neural prosthesis) 분야를 형성하고 있다. 이와같은 신경신호기록이나 신경자극에 대한 연구를 현실적으로 가능하게 하는 요소로서 반도체미세전극이 부각되고 있다. 반도체 미세전극은 금속 와이어 다발등에 비하여 전극의 위치, 크기를 정밀하게 구현할 수 있고, 여러 신경과 접촉할 수 있는 어레이 구현이 쉬워 compact하게 만들 수 있으며 또한 추후 능동회로와의 단일기판집적화(on-chip)를 실현 할 수 있는 장점을 지니므로 신경신호 연구에 매우 적합한 소자이다. 따라서 최근 신경보철에 응용하기 위한 반도체 미세전극어레이 제작에 많은 관심과 기대가 모아지고 있다.
기존의 반도체미세전극 어레이는 주로 boron 도핑 후 선택적 식각에 의해 shank등의 전극 모양을 형성하는 기술을 이용하여 제작되었다. 그런데 이 기술은 전극 tip 끝이 무뎌지고, shank 두께가 15${{\mu}m}$ 이하로 제한되어 신경조직에 삽일할 때 부러지거나 휘기 쉽고 이는 신경조직의 손상을 야기시키는 단점이 있다. 또한 boron 도핑 후 확산과정에서 ${1000^{\circ}C}$ 이상의 고온공정을 수반하므로 CMOS회로 제작 후속공정으로서 부적합하여 능동형 전극 제작 공정이 복잡해지고 이는 회로의 신뢰성과 안정성을 떨어뜨리는 요소가 된다. 본 연구에서는 boron 도핑이 아닌 실리콘 플라스마 건식식각과 습식식각을 병용하여 전극 모양을 형성함으로써 상술한 모든 문제점을 해결하였다. 또한 새로 개발된 공정단계를 거쳐 제작한 전극을 흰쥐의 뇌피질에 적용하여 성공적인 다중채널 신경신호기록을 수행하였다. 이 동물실험결과는 동일한 실험 조건에서 얻은 기존의 텅스텐 전극과 boron 도핑 기술로 제작한 Michigan probe을 이용하여 기록한 결과와 비교하여 신호대 잡음비 및 그 적용 용이성에 있어서 대응하거나 우월한 성능을 보였다.

Abstract ▼

Over the past 30 years, there have been continuous researches on recording of neural signal and stimulation of neurons. Based on informations obtained from neural recording, the functionality of the paralyzed organ can be recovered by stimulating neurons with small electrical current. Thus, the neur

Over the past 30 years, there have been continuous researches on recording of neural signal and stimulation of neurons. Based on informations obtained from neural recording, the functionality of the paralyzed organ can be recovered by stimulating neurons with small electrical current. Thus, the neural signal recording and functional electrical stimulation play the major role in neural prosthesis. The semiconductor microelectrode array is the very preferable device which will be implanted and interfaced with nerve system because of its precise dimesion and position control, easy and compact electrode array formation, and possibility of integration with on chip active circuitry. Seeing these clear advantages, a number of research groups have been developing silicon-based microelectrode array.
In this research, using combination of plasma and wet etch, numbers of probelmes caused by boron diffusion technology have been solved. The plasma etch, which Is done using low temperature oxide mask, enables the thickness of the probe shank to be defined more freely and in wider range than when high temperature boron diffusion and selective wet etch is employed. Also the probelm of the blunt shank tip originated from boron doping profile is solved by plasma etch. The entire probe shaping process is performed only at low temperature, and thus can follow the standard CMOS fabrication. This enables us to use commercial CMOS circuit foundry service which guaratees high reliability and easy fabrication process for active electrode array. A probe with 30 ${{\mu}m}$ shank thickness is successfully used in recording from rats somatosensory cortex. A simultaneous four-channel neural recording shows signal-to-noise ratio performance compatible to or better than that obtained using conventional tungsten electrode or Michigan probes. Also design parameters for optimal low noise preamplifier which will be integrated with recording microelectrode have been studied. The suggested design method is effective when using general CMOS circuit foundry service.

목차 Contents

• 표지...1
• 목차...2
• 제출문...3
• 연구계획서 요약문(국문)...4
• 연구내용...5
• 가. 연구결과 요약문(국.영문)...5
• 나. 서론...7
• 다. 연구방법 및 이론...9
• 1. 수동형 반도체 미세전극어레이의 제작 및 이를 이용한 동물실험...9
• 1-1. 설계...9
• 1-2. 제작 과정...10
• 1-3. 전기적 특성 조사...15
• 1-4. 동물 실험...16
• 2. Extracellular Neural Signal Acquistion을 위한 저잡음전치증폭기의 설계 방법...18
• 2-1. 전치증폭기 설계시의 잡음특성에 대한 고려사항...18
• 2-2. Analytical Modeling을 통한 저주파 잡음특성의 설계 방법...19
• 라. 결과 및 고찰...26
• 1. 수동형 반도체 미세전극의 제작 및 동물실험...26
• 2. Extracellular Neural Signal Acquistion을 위한 저잡음전치증폭기의 설계 방법...27
• 마. 결론...28
• 바. 인용문헌...29
• 논문발표목록서...30
• 자체평가서...31