초록 ▼

1. 연구개발 목적
본 연구는 전극의 배치, 전극 물질 등 전극의 여러 특성에 대해 연구하고, 효과적인 신경신호 획득을 위한 저잡음 버퍼를 집적한 반도체 미세 전극 어레이 제작을 목표로 하였다. 그리고 제작된 반도체 미세 전극을 이용하여 다채널 세포외 활동전위신호(multi-channel extracellular neural signal)를 효과적으로 계측할 수 있는 고성능 증폭기 및 대역 통과 필터 등이 내장된 계측시스템을 또한 개발하고자 하였다. 반도체 미세 전극에 CMOS 회로를 동시에 집적하기 위한 CMOS공정 호환성

1. 연구개발 목적
본 연구는 전극의 배치, 전극 물질 등 전극의 여러 특성에 대해 연구하고, 효과적인 신경신호 획득을 위한 저잡음 버퍼를 집적한 반도체 미세 전극 어레이 제작을 목표로 하였다. 그리고 제작된 반도체 미세 전극을 이용하여 다채널 세포외 활동전위신호(multi-channel extracellular neural signal)를 효과적으로 계측할 수 있는 고성능 증폭기 및 대역 통과 필터 등이 내장된 계측시스템을 또한 개발하고자 하였다. 반도체 미세 전극에 CMOS 회로를 동시에 집적하기 위한 CMOS공정 호환성 검증을 테스트 MOS를 디자인 하여 MOS 파라미터의 변화를 공정 진행시 동시 측정하여 변화를 살펴봄으로서 CMOS 공정후 후속공정으로 이루어지는 전극 구조물 제작의 CMOS호환성을 알아보고자 하였다. 그리고 전극 구조물의 전기적, 기계적 특성을 개선하기 위한 연구와 제작된 시스템의 생체적용성 대해 실험을 통해 검증해 보고자 하였다. 본 과제를 통해 개발되는 능동형 전극 및 계측 시스템은 다채널 신경 신호 측정 및 이를 이용한 신경 보철 연구에 반드시 필요한 필수 장비로서 활용할 목적이다.
2. 연구개발 목표
목표는 크게 저잡음 버퍼가 내장된 반도체 미세전극의 개발과 신경신호 측정을 위한 주 증폭기 및 필터설계로 구분될 수 있으며 세분화하면 아래와 같다.
I. 저잡음 버퍼가 집적된 반도체 미세 전극 어레이의 개발
1. 전극의 길이 두께 및 배치에 관한 연구
2. 전극의 임피던스를 낮추기 위한 연구
3. 전극의 기계적 강도 및 잔류 응력에 대한 연구
4. CMOS공정과 호환적인 반도체 미세 전극 제작공정의 확립
5. 저잡음 버퍼의 설계 및 제작
6. 전치증폭기가 집적된 반도체 미세 전극 제작
II. 생체 계측 시스템의 개발
1. 반도체 미세 전극과 직접 연결 가능한 외부 연결용 초소형 다채널 전치증폭기 제작
2. 신경 신호 기록을 위한 고성능 다채널 주증폭기 및 대역 통과 필터의 제작
3. 전치증폭기, 주증폭기, 필터 및 커넥터로 이루어지는 계측 시스템 제작
4. 능동형 반도체 미세 전극, 계측 기기 통합 시스템 구축
3. 연구 내용 및 결과
반도체 미세 전극 어레이는 뇌 신피질의 신경구조를 고려하여 반도체 미세 전극 어레이의 길이, 두께, 모양 등을 설계하고 전극의 위치를 고려를 전극 디자인하였으며 백금흑의 전착을 통해 전극의 임피던스를 낮추고 전극의 기계적 강도를 개선하였다. 또한 공정 조건에 따른 산화막, 질화막 등 절연막의 응력을 측정하고 이들의 응력을 상쇄시켜 잔류 응력을 최소화 할 수 있는 공정 조건을 확립하고 반도체 미세 전극 제작 공정을 수행하여 공정에 따른 MOS 트랜지스터의 문턱 전압의 변화, I-V 특성 변화 등을 측정하였다. 이 측정 결과를 통해 전극 제작 공정과 CMOS공정의 호환성에 대해 검증해 보고자 하였다. 반도체 미세전극 구조물 형성법으로 등방성 건식식각하는 방법을 사용하였으며, 본 공정 방법은 습식식각 방법에 비해 공정시간과 회로 호환성 측면에서 기존의 습식식각에 의한 방법보다 우수하였다. 공정 단계별 회로동작 특성 측정을 통해 본 공정의 CMOS 호환성을 검증하고, 설계된 소스팔로워가 후속 공정 후에도 동작 특성의 변화없이 기능적으로 잘 동작함을 확인하였다.
계측시스템의 개발에 관하여서는 전치 증폭기가 높은 입력 임피던스 및 잡음 특성에 중점을 둔다면 주 증폭기는 안정적인 증폭률과 직류 오프셋(DC offset)의 제거에 중점을 두었다.신경 신호 주파수 대역이상의 고주파 잡음제거를 위해서 대역 통과 필터를 포함하였으며 각 파트를 연결하기 위한 커넥터를 설계, 제작하고 앞에서 제작된 전치증폭기, 주 증폭기, 필터를 통합하여 전체 시스템을 구현하였다. 반도체 미세전극으로 얻어지는 신경신호를 처리하기 위한 8채널 주증폭기와 필터를 제작하였다. 제작된 전극과 시스템을 이용하여 흰쥐의 제1 체감각 피질에서 신경신호를 성공적으로 측정하였다. 결론적으로 버퍼가 집적된 능동형 반도체 미세전극과 계측 시스템을 개발하였으며 이를 이용하여 감각신경을 치료 보완하기 위한 신경 보철 연구 도구로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼

The use of the silicon microelectrode array for simultaneous multichannel recording of neural activity has contributed much to our understanding of the brain neural network. The silicon microelectrode arrays have many advantages over wire bundles. Active circuitry on the silicon microelectrode can b

The use of the silicon microelectrode array for simultaneous multichannel recording of neural activity has contributed much to our understanding of the brain neural network. The silicon microelectrode arrays have many advantages over wire bundles. Active circuitry on the silicon microelectrode can be monolithically Integrated so that impedance buffering, amplification, and multiplexing can be done. The shank of the microelectrode was made controllable with use of dry etch on the front side and backside. The advantage of this process is that we can use the vendor CMOS services such as MOSIS.
This reports on the methods and results of the experiments we performed to verify the CMOS compatibility of the probe shaping steps and the off-chip system consists of a custom-built multichannel amplifier/filter we developed. A needle-like shank of a neural probe was fabricated by isotropic etching of the backside of a silicon wafer after making ridge-like structures on front-side. A deep silicon etch process - called Bosch process - was used. The etch rate was about $2{\mu}m/min$ and the etch selectivity against positive photo-resist was more than 30. When a photo-resist of Sun thickness is used, we can easily control the thickness of probe-shank up to $150{\mu}m$.
MOSFET patterns and source-followers were designed in order to specify the CMOS compatibility with the micromachining post-process. We varied the gate lengths of n-type MOSFETs and p-type MOSFETs to be $1.5{\mu}m$, $2{\mu}m$, $3{\mu}m$, and $5{\mu}m$, with fixed gate widths of $20{\mu}m$. In addition to the test MOSFET patterns, source-follower that was widely used as a unity gain buffer of typical nourophysiological experiment setup was also integrated. P-type MOSFETS were used because they, with large gate dimensions, are known to have reduced noise levels when used in source-followers. In order to verify the CMOS compatibility of the post-CMOS micromachining process, the threshold voltages of test MOS patterns and the DC characteristics of source-followers were measured at the following three phases 1) after the standard CMOS process, 2) after the site opening and gold metalization, and 3) after the deep silicon etching.
Source followers and preamplifiers were designed and fabricated using the Multi-Project Chip foundry service of the Inter-University Semiconductor Research Center at Seoul National University. Both threshold voltages of n-type and p-type transistors remain virtually unchanged after the Au metalization and deep dry etch. However, when additional plasma dry etch process was performed on the backside of the wafer at 200W power for 240mins to remove the excess silicon by dry etch, a shift in threshold was observed especially in p-type MOSFETs. Nevertheless, the DC characteristics of source-followers were not seen significantly altered by this threshold shift. We could verify the CMOS compatibility of the process and proved that the low power Bosch etch process did not cause significant plasma damage that causes threshold changes. However, when plasma etch process at higher power and for longer duration was added, some shifts in thresholds occurred in the case of p-type MOS.
In order to reduce magnitude of impedance, electroplating of platinum-black was performed on gold electrode by a potentiost. At 1 kHz, the impedance reduced from 5.2MΩ to 50kΩ due to increase of electrochemically active surface area. We have also adjusted our dielectric capping so probes are free from deflections of electrode shank. With proper combination of thermal oxide and LPCVD nitride, we could achieve a nearly stress-free condition where the total stress was made less than 5 Mpa. It is observed in the figure that the force-displacement very relation is linear up to the fracture point for all shanks. It is also notedthat the amount of force which a probe shank can take increases for thicker shanks, while the amount of displacement for a given force increases for thinner shanks.
The neural probe is bonded on one side of a printed circuit board where on the other side, the buffer array chip is also mounted. The off-chip system consists of a custom-built multichannel amplifier/filter, and a PC-based signal acquisition and processing system. Using the developed system, one can easily record and process the multichannel neural signals from the central nervous system. Each channel is distinguished from others by both the amplitude and the timing of the action potentials. The signals being recorded at the different sites are shown to be clearly independent. In conclusion, the neural probe and detection system may be useful in neuroscience research and neural prosthetic applications.

목차 Contents

• I . 연구개발결과 요약문...4
• (한글) 신경신호 측정을 위한 버퍼가 집적된 능동형 반도체 미세 전극 어레이와 고성능 주증폭기의 개발...4
• (영문) Development of active silicon microelectrode array integrated with buffer and high performance main amplifier for low noise neural signal recording...6
• II. 총괄연구개발과제 연구결과...8
• 1. 총괄연구개발과제의 최종 연구개발 목표...8
• 2. 총괄연구개발과제의 최종 연구개발 내용 및 결과...11
• 2.1 반도체 전극의 제작방법 및 이론...11
• 2.2 능동 회로의 특성 측정...18
• 2.3 전극 임피던스 개선을 위한 백금흑 증착...26
• 2.4 전극의 기계적 강도 및 잔류 응력...33
• 2.5 전극의 stress보정...34
• 2.6 전치증폭기의 설계 및 제작...35
• 2.7 다채널 주증폭기 및 대역 통과 필터...38
• 2.8 신경신호 기록...40
• 3. 연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론...41
• 4. 연구개발과제의 연구성과 및 목표달성도...42
• 5. 연구개발과제의 활용계획...44
• 6. 첨부서류...45