Publication
Microelectrodes for biomedical devices
| Summary: | Os avanços em miniaturização, assim como a introdução de novos materiais tem permitido, e continuará a permitir, a expansão do campo de dispositivos médicos. Frequentemente, as interfaces entre estes dispositivos e o corpo humano tem por base elétrodos de platina e silicones. Todavia, materiais de elétrodo alternativos, como o nitreto de titânio, que não se baseiam em injeção de carga do tipo farádica com potenciais reações irreversíveis, e que são mais acessíveis em salas limpas para processos de CMOS, aumentam o potencial de integração dos dispositivos e a sua segurança para o corpo humano. Desta forma, visionamos um dispositivo médico implantável com elétrodo em nitreto de titânio, com injeção de carga de tipo capacitiva, que tanto possibilita a estimulação de nervos como a leitura da sua actividade. Esta Tese apresenta a análise, desenho, fabrico e caracterização de elétrodos em nitreto de titânio em substratos flexíveis de poliamida, com o tamanho mínimo de microelétrodo de 80 × 80 μm2. A análise de flexibilidade dos elétrodos de nitreto de titânio em poliamida assenta em modelos teóricos, previamente validados, que prevêem um raio de curvatura mínimo de 500 μm. A metodologia para o desenvolvimento dos elétrodos de nitreto de titânio combina várias técnicas de microfabrico, como por exemplo, a fotolitografia, a deposição por vapor químico, o sputtering, e várias técnicas de remoção de materiais. Os elétrodos em poliamida, obtidos a partir de processo em bolachas de silício, podem daí ser destacados e posteriormente integrados em estruturas em forma de algema (cuff). Essas estruturas em cuff foram desenhadas, também no âmbito desta Tese, tendo em conta os requisitos anatómicos do nervo vago do rato, onde foram anatomicamente validadas. Depois do fabrico, os elétrodos foram caracterizados através de três métodos eletroquímicos: espectroscopia de impedância eletroquímica, voltamétrica cíclica e medições em transiente de tensão. Os microelétrodos em nitreto de titânio apresentam uma impedância média de 59 kΩ a 1 kHz, mecanismo capacitivo de injeção de carga com water window de -0.6 V to 0.8 V, e uma capacidade de injeção de carga equivalente a 154 ± 16 μC/cm2, podendo ser usados em aplicações de micro-estimulação cortical ou tomografia por impedância elétrica. Microelétrodos de nitreto de titânio em poliamida, processados de modo compatível com o back-end CMOS e obtidos a partir das bolachas de silício, são uma solução promissora para interface neuronal que, no futuro, pode beneficiar da integração de módulos eletrónicos no chip de silício. |
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| Main Authors: | Rodrigues, Fábio João Oliveira |
| Subject: | Dispositivos biomédicos microelétrodos nitreto de titânio poliamida Biomedical devices microelectrodes polyimide titanium nitride Engenharia e Tecnologia::Engenharia Médica |
| Year: | 2021 |
| Country: | Portugal |
| Document type: | doctoral thesis |
| Access type: | open access |
| Associated institution: | Universidade do Minho |
| Language: | Portuguese |
| Origin: | RepositóriUM - Universidade do Minho |
| Summary: | Os avanços em miniaturização, assim como a introdução de novos materiais tem permitido, e continuará a permitir, a expansão do campo de dispositivos médicos. Frequentemente, as interfaces entre estes dispositivos e o corpo humano tem por base elétrodos de platina e silicones. Todavia, materiais de elétrodo alternativos, como o nitreto de titânio, que não se baseiam em injeção de carga do tipo farádica com potenciais reações irreversíveis, e que são mais acessíveis em salas limpas para processos de CMOS, aumentam o potencial de integração dos dispositivos e a sua segurança para o corpo humano. Desta forma, visionamos um dispositivo médico implantável com elétrodo em nitreto de titânio, com injeção de carga de tipo capacitiva, que tanto possibilita a estimulação de nervos como a leitura da sua actividade. Esta Tese apresenta a análise, desenho, fabrico e caracterização de elétrodos em nitreto de titânio em substratos flexíveis de poliamida, com o tamanho mínimo de microelétrodo de 80 × 80 μm2. A análise de flexibilidade dos elétrodos de nitreto de titânio em poliamida assenta em modelos teóricos, previamente validados, que prevêem um raio de curvatura mínimo de 500 μm. A metodologia para o desenvolvimento dos elétrodos de nitreto de titânio combina várias técnicas de microfabrico, como por exemplo, a fotolitografia, a deposição por vapor químico, o sputtering, e várias técnicas de remoção de materiais. Os elétrodos em poliamida, obtidos a partir de processo em bolachas de silício, podem daí ser destacados e posteriormente integrados em estruturas em forma de algema (cuff). Essas estruturas em cuff foram desenhadas, também no âmbito desta Tese, tendo em conta os requisitos anatómicos do nervo vago do rato, onde foram anatomicamente validadas. Depois do fabrico, os elétrodos foram caracterizados através de três métodos eletroquímicos: espectroscopia de impedância eletroquímica, voltamétrica cíclica e medições em transiente de tensão. Os microelétrodos em nitreto de titânio apresentam uma impedância média de 59 kΩ a 1 kHz, mecanismo capacitivo de injeção de carga com water window de -0.6 V to 0.8 V, e uma capacidade de injeção de carga equivalente a 154 ± 16 μC/cm2, podendo ser usados em aplicações de micro-estimulação cortical ou tomografia por impedância elétrica. Microelétrodos de nitreto de titânio em poliamida, processados de modo compatível com o back-end CMOS e obtidos a partir das bolachas de silício, são uma solução promissora para interface neuronal que, no futuro, pode beneficiar da integração de módulos eletrónicos no chip de silício. |
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