High-density cortical implant for brain-machine interfaces based on two-dimensional materials
El descobriment experimental del grafè el 2004 va suposar l’aparició d’un nou camp de recerca basat en materials bidimensionals, que investiga les seves propietats per a aplicacions en electrònica, fotònica i optoelectrònica i, recentment, també en tecnologia biomèdica. La neurotecnologia en particu...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2021 |
| País: | España |
| Institución: | CBUC, CESCA |
| Repositorio: | TDR. Tesis Doctorales en Red |
| OAI Identifier: | oai:www.tdx.cat:10803/672514 |
| Acceso en línea: | http://hdl.handle.net/10803/672514 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Interficie neuronal Neural interface Materials bidimension Materiales bidimensionales Two-dimensional materials Grafé Grafeno Tecnologies 62 |
| Sumario: | El descobriment experimental del grafè el 2004 va suposar l’aparició d’un nou camp de recerca basat en materials bidimensionals, que investiga les seves propietats per a aplicacions en electrònica, fotònica i optoelectrònica i, recentment, també en tecnologia biomèdica. La neurotecnologia en particular, és un tema que podria beneficiar-se fortament d’aquests nous materials, ja que la seva naturalesa mecànica i química els permet formar una interfície estable i adaptable a la topologia del cervell. El transistor de grafè de porta liquida (gSGFET) és un dels diversos dispositius de detecció emergents que utilitzen materials prims i ha demostrat un gran potencial per a les interfícies cervell-màquina (BMIs), ja que és capaç de registrar l’activitat neuronal amb alta precisió. Històricament s’han utilitzat els elèctrodes per a aquesta aplicació, ja que són fàcils de fabricar i els senyals enregistrats es poden adquirir mitjançant tècniques de lectura senzilles. En els darrers anys, però, s’ha trobat que l’ús de transistors es beneficiós per a aplicacions específiques, ja que també son capaços de registrar l’activitat oscil·latòria lenta, que encara està en la seva majoria inexplorada. A més, els transistors permeten construir matrius de sensors amb un gran nombre de llocs de gravació, ja que, al contrari que els elèctrodes, no cal combinar-los amb components electrònics addicionals per permetre esquemes d’adreçament sofisticats, facilitant així la complexitat tecnològica de la fabricació d’aquestes matrius. L’elevat soroll intrínsec del sensor continua sent un problema crític en electrofisiologia a causa de la petita amplitud dels senyals neuronals a la superfície de l’escorça cerebral. La naturalesa geomètrica del grafè i d’altres materials bidimensionals els exposa a influències degradants del seu entorn i fa difícil crear interfícies d’alta qualitat amb aquests materials. Això condueix, per exemple, a un augment del soroll de baixa freqüència del gSGFET, que contamina la banda de freqüències d’interès per als enregistraments neuronals. Per tant, com a primer pas cap al desenvolupament d’un conjunt de sensors neuronals d’alta qualitat, en el capítol 3 s’exploren les millores tecnològiques que permeten reduir aquest soroll intrínsec del dispositiu. A continuació es descriu la fabricació i caracterització de interfícies neuronals de alta densitat, fins a 1000 gSGFET sensors sobre substrat flexible. Com que la mida del connector que augmenta directament amb el nombre de sensors, aquest imposa restriccions en el numero i la densitat de llocs de gravació assolibles a la matriu. D’aquesta forma, els esquemes de lectura multiplexada compatibles amb la tecnologia gSGFET són de vital importància. La multiplexació permet la combinació de múltiples fluxos d’informació en un sol senyal i, per tant, permetria superar les limitacions de connectivitat de les BMIs actuals. Més concretament, en al capítol 4 es presenta la compatibilitat de la tecnologia gSGFET amb els dos esquemes més comuns de lectura de dades multiplexades, la divisió de freqüències i la divisió de temps. En última instància, en el capítol 5 s’explora la integració monolítica de circuits de adreçament a la matriu de sensors flexibles, ja que això evitaria l’acoblament entre llocs que pot degradar greument la fidelitat del senyal enregistrat en grans matrius de sensors multiplexats. Per a aquest propòsit, es suggereix l’ús dels materials de “transition-metall-dichalcogenides” de dues dimensions (per exemple, MoS2), ja que combinen la flexibilitat mecànica amb una banda prohibida àmplia, necessària per obtenir transistors d’efecte de camp amb altes relacions encès / apagat. Un conjunt híbrid de sensors gSGFET / MoS2-FET amb funcionalitat de lectura multiplexada es presenta com a primer prototip cap a una nova generació de BMIs i es presenta un full de ruta per a l’ampliació de la tecnologia. |
|---|