Transistor arrays for the direct interfacing with electrogenic cells

Meyburg, Sven; Offenhäusser, Andreas

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-13317

Transistor arrays for the direct interfacing with electrogenic cells = Transistor-Arrays für die Kopplung Elektrisch Aktiver Zellen

Meyburg, Sven (Author)

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sven Meyburg

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

Umfang151 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-12-12

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-13317
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/60631/files/Meyburg_Sven.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Biosensor (frei) ; Feldeffekttransistor (frei) ; CMOS (frei) ; Adressierung (frei) ; Extrazelluläre Aufzeichnung (frei) ; Herzmuskelzelle (frei) ; Floating Gate (frei) ; HEK-Zelle (frei) ; floating gate (frei) ; field effect transistor (frei) ; FET (frei) ; addressing (frei) ; cell coupling (frei) ; cardiac myocyte (frei) ; HEK-cell (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Ziel dieser Arbeit war die Herstellung von „floating gate” Feldeffekt-Transistoren (FETs) für die Kopplung von elektrisch aktiven Zellen. Bei dem vorgestellten Sensor-Aufbau befindet sich die Sensorfläche oberhalb des Gate-Anschlusses und konnte – im Gegensatz zu nicht-metallisierten FETs zur Zell-Kopplung – der Größe der zu messenden Zellen angepasst werden. Der Transistor selbst wurde in Bezug auf sein Rauschverhalten sowie den Gegenwirkleitwert optimiert. Zwei entscheidende Vorteile dieses Aufbaus sind der geringe Platzbedarf der Sensoren, sowie ihre lange Lebensdauer unter Zellkultur-Bedingungen, da das empfindliche Gate-Oxid vor der Elektrolytlösung gut geschützt ist. Der erste Teil des Herstellungsprozesses ist kompatibel zu einem Standard-CMOS (complementary metal oxide semiconductor) Prozess, wie er in der Industrie angewendet wird. Der zweite Teil des Prozesses wurde während dieser Arbeit entwickelt. Er umfasst die Schicht der Leiterbahnen, sowie die Passivierung der Chips gegenüber einem Elektrolyten. Um den Anforderungen der Depositionsanlage für die Passivierungsschichten zu entsprechen, bestehen die Leiterbahnen sowie die Sensorflächen aus Poly-Silizium. Um den Widerstand der Leiterbahnen zu reduzieren, wurden diese mit Titan silizidiert. Die Passivierung wurde über einen Schichtstapel aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid und Siliziumoxid realisiert. Anschließend wurden die Sensorflächen freigeätzt und thermisch oxidiert, um ein dünnes Sensor-Dielektrikum zu erhalten.Auf den fabrizierten Wafern befanden sich verschiedene Chips mit einzelnen elektronischen Bauteilen, logischen Schaltkreisen, Feldern individuell kontaktierter Transistoren, adressierbaren Feldern oder speziellen Transistoren für die bidirektionale Zell-Kopplung. Die Funktion der Sensoren zur extrazellulären Ableitung von Signalen wurde erfolgreich mit verschiedenen Zellsystemen demonstriert. Im Vergleich zu nicht-metallisierten FETs wurde eine verstärkte Drift festgestellt, die das Messen für einen längeren Zeitraum einschränkt. Für Messungen im Bereich von Minuten war diese Drift quasi-linear, und konnte vom Sensorsignal abgezogen werden. Der besondere Aufbau der Sensoren schützt das empfindliche Gate-Oxid vor dem Elektrolyten und macht die Bauteile langlebig und wieder verwendbar. Sensoren mit angekoppelten „floating gates” können Zellen zusätzlich stimulieren, und ermöglichen so eine bidirektionale extrazelluläre Kopplung elektrisch aktiver Zellen.

In this work, a floating gate field effect transistor (FET) for the coupling of electrogenic cells was presented. The design decoupled the transistor gate from the sensing area and arranged them one upon the other (sandwich design). Both parts were tuned individually: the transistors were optimised towards high transconductance and low noise, and the sensing area was adapted to the size of the investigated cells. Besides saving space, the sandwich design implied a protection of the vulnerable, thin gate oxide from the electrolyte solution, resulting in long-lasting and reusable devices. The first part of the fabrication process is compatible with a standard complementary metal oxide semiconductor (CMOS) process, including p-channel FETs, n-channel FETs and capacitors. The second part of the process, including the interconnect layer and the passivation layer protecting the devices from an electrolyte solution, was developed during these studies. To be compatible to the PECVD tool depositing the passivation layer, the interconnect layer was made out of polysilicon. To reduce the specific resistance of the feed lines, they were silicided with titanium. The passivation consisted of a layer stack of silicon dioxide, silicon nitride and silicon dioxide. The sensing areas were etched free and thermally oxidised to form a thin sensing dielectric and to enable a floating gate structure.The different chips of the fabricated wafers contained single electronic components, logical circuits, individually contacted sensor arrays, addressable sensor arrays, or arrays for recording and stimulation, simultaneously. The transistor's capability for extracellular coupling was successfully tested with different cellular systems. However, in comparison to open-gate FETs, the floating gate involved an additional drift that interfered with long-term measurements. For measurements in the range of minutes, the quasi-linear drift could easily be subtracted from the signal. The sandwich design of the transistors is space-saving and decouples the sensing area from the transistor gate. This makes the devices long-lasting and reusable. The additional electrical connection of the floating gate by means of a capacitor enables a capacitive stimulation of coupled cells. Thus, the presented floating gate FETs are a promising concept for the bidirectional extracellular coupling of electrogenic cells.

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