EP4260055A1 - Ferroelectric biochip - Google Patents

Ferroelectric biochip

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EP4260055A1
EP4260055A1 EP21839004.5A EP21839004A EP4260055A1 EP 4260055 A1 EP4260055 A1 EP 4260055A1 EP 21839004 A EP21839004 A EP 21839004A EP 4260055 A1 EP4260055 A1 EP 4260055A1
Authority
EP
European Patent Office
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biochip
layer
biological material
ferroelectric
coupling
Prior art date
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Pending
Application number
EP21839004.5A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Maximilian Becker
Claus Burkhardt
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NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
Original Assignee
NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
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Filing date
Publication date
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Abstract

The invention relates to a biochip (13) having at least one coupling arrangement (21) for electrically stimulating biological material (24) or for conducting electrical measurements on the biological material (24), the biochip (13) comprising: a carrier structure (23) arranged on and/or in the coupling arrangement (21); and a layer (17) whose one layer surface (19) is arranged on the coupling arrangement (21) and whose opposite layer surface forms a coupling surface (15) for stimulating the biological material (24) and/or for conducting measurements on the biological material (24). To obtain an improved stimulation efficiency of the biochip (13), the layer (17) is proposed to have ferroelectric properties.

Description

Ferroelektrischer Biochip Ferroelectric biochip
[0001] Die Erfindung betrifft einen Biochip mit mindestens einer Kopplungsanordnung zur elektrischen Stimulation von biologischem Material oder für elektrische Messungen an dem biologischen Material. The invention relates to a biochip with at least one coupling arrangement for electrical stimulation of biological material or for electrical measurements on the biological material.
[0002] Aus dem Patent EP 1 478 737 B1 ist ein Biochip bekannt, der zur kapazitiven Stimulation und/oder Detektion biologischer Gewebe eingerichtet ist. Zur Verbesserung der Ankopplungseffizienz der in diesem Biochip vorgesehenen rein kapazitiven Kopplung wird vorgeschlagen, ein Dielektrikum mit einer möglichst hohen relativen Dielektrizitätskonstanten er, nämlich TiO2, zu verwenden. [0002] Patent EP 1 478 737 B1 discloses a biochip which is set up for the capacitive stimulation and/or detection of biological tissue. In order to improve the coupling efficiency of the purely capacitive coupling provided in this biochip, it is proposed to use a dielectric with the highest possible relative permittivity e r , namely TiO 2 .
[0003] Ferner existieren Halbleiterbauelemente, die Bereiche aus einem ferroelektrischen Material aufweisen. Entsprechende Herstellungsprozesse sind ebenfalls bekannt. Ein Beispiel für ein solches Halbleiterbauelement ist der ferroelektrische Feldeffekttransistor (FeFET). Angewendet werden solche Halbleiterbauelemente beispielsweise um nichtflüchtige Halbleiterspeicher herzustellen. [0003] There are also semiconductor components that have regions made of a ferroelectric material. Corresponding manufacturing processes are also known. An example of such a semiconductor device is the ferroelectric field effect transistor (FeFET). Such semiconductor components are used, for example, to produce non-volatile semiconductor memories.
[0004] Trotz der erreichten Fortschritte im Bereich der Biochips mit rein kapazitiver Kopplung, reicht deren Stimulationseffizienz in der Regel nicht aus, um beispielsweise Mikroelektro- den-Arrays (MEAs) oder elektrisch aktive Implantate mit einer hohen räumlichen Dichte von Elektroden zu realisieren. Die Stimulationseffizienz bestimmt die minimale Fläche der einzelnen Elektroden, für die eine wirksame elektrische Stimulation des biologischen Materials, welches Nervenzellen enthalten kann, praktisch möglich ist. [0004] Despite the progress made in the field of biochips with purely capacitive coupling, their stimulation efficiency is generally not sufficient to implement, for example, microelectrode arrays (MEAs) or electrically active implants with a high spatial density of electrodes. The stimulation efficiency determines the minimum area of each electrode for which effective electrical stimulation of the biological material, which may contain nerve cells, is practically possible.
[0005] Eine Aufgabe der vorliegen Erfindung kann somit darin gesehen werden, einen Biochip mit verbesserter Stimulationseffizienz bereitzustellen, mit dem beispielsweise Mikroelek- troden-Arrays oder elektrisch aktive Implantate mit hoher Dichte von Elektroden realisiert werden können, wobei auch elektrochemische Degradationsprozesse an den Elektroden unterbunden werden sollten. [0006] Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Biochip mit mindestens einer Kopplungsanordnung zur elektrischen Stimulation von biologischem Material oder zum elektrischen Messen an dem biologischen Material, vorgeschlagen, wobei der Biochip aufweist: eine Trägerstruktur, die an und/oder in der mindestens einen Kopplungsanordnung angeordnet ist; und eine Schicht, deren eine Schichtfläche an der Kopplungsanordnung angeordnet ist, und deren gegenüberliegende Schichtfläche eine Kopplungsfläche zur elektrischen Stimulation des biologischen Materials und/oder für elektrische Messungen an dem biologischen Material bildet; der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schicht ferroelektrische Eigenschaften aufweist. Anders ausgedrückt, weist die Schicht eines solchen Biochips einen nichtlinearen und/oder hysteretischen Zusammenhang zwischen einem elektrischen Feld E innerhalb der Schicht und einer elektrischen Verschiebungsdichte D auf, welcher durch das Vorhandensein einer ferroelektrischen Polarisation innerhalb der Schicht hervorgerufen wird. Dieses nichtlineare und hysteretische Verhalten dieses Zusammenhangs D E) wird auch als ferroelektrisches Verhalten bezeichnet. In diesem Sinne gehören zu Materialien mit ferroelektrischen Eigenschaften auch antiferroelektrische Materialien, ferrielektrische Materialien, multiferroische Materialien oder Relaxor-ferroelektrische Materialien. Die Schicht kann also ferroelektrische, antiferroelektrische, ferrielektrische und/oder Relaxor-ferroelektrische Materialien aufweisen oder auch aus einem dieser Materialien gebildet sein. [0005] One object of the present invention can therefore be seen as providing a biochip with improved stimulation efficiency, with which, for example, microelectrode arrays or electrically active implants with a high density of electrodes can be implemented, electrochemical degradation processes on the electrodes also being suppressed should be. According to one embodiment of the invention, a biochip with at least one coupling arrangement for electrically stimulating biological material or for electrically measuring the biological material is proposed, the biochip having: a carrier structure on and/or in the at least one coupling arrangement is arranged; and a layer, one layer surface of which is arranged on the coupling arrangement and the opposite layer surface of which forms a coupling surface for electrical stimulation of the biological material and/or for electrical measurements on the biological material; which is characterized in that the layer has ferroelectric properties. In other words, the layer of such a biochip has a non-linear and/or hysteretic relationship between an electric field E within the layer and an electric displacement density D, which is caused by the presence of a ferroelectric polarization is caused within the layer. This non-linear and hysteretic behavior of this connection DE) is also referred to as ferroelectric behavior. In this sense, materials with ferroelectric properties also include antiferroelectric materials, ferrielectric materials, multiferroic materials or relaxor ferroelectric materials. The layer can therefore have ferroelectric, antiferroelectric, ferrielectric and/or relaxor ferroelectric materials or also be formed from one of these materials.
[0007] Die Erfinder haben erkannt, dass die Schicht mit den ferroelektrischen Eigenschaften einen zusätzlichen Beitrag zur elektrischen Stimulation des biologischen Materials bewirkt, welche von der ferroelektrischen Polarisation in der Schicht herrührt. Dieser zusätzliche Beitrag tritt neben einen durch die bekannte rein kapazitive Stimulation bedingten Beitrag. Der zusätzliche Beitrag kann in vielen Fällen sogar höher sein als der Beitrag der rein kapazitiven Kopplung. The inventors have recognized that the layer with the ferroelectric properties makes an additional contribution to the electrical stimulation of the biological material, which results from the ferroelectric polarization in the layer. This additional contribution occurs in addition to a contribution caused by the known purely capacitive stimulation. In many cases, the additional contribution can even be higher than the contribution of the purely capacitive coupling.
[0008] Die Schicht kann beispielsweise Hafniumoxid (HfO2) mit ferroelektrischen Eigenschaften aufweisen oder daraus gebildet sein. Derartiges ferroelektrisches Hafniumoxid ist kompatibel mit bekannten Halbleiterprozessen, wie beispielsweise der CMOS-Technik, sodass eine einfache Herstellung des Biochips möglich ist. [0009] Eine weitere Verbesserung der Eigenschaften des Biochips und/oder eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens kann durch Dotierung von Hafniumoxid erzielt werden, beispielsweise, wenn das Hafniumoxid mit ferroelektrischen Eigenschaften mit Silizium dotiert ist. Alternativ hierzu kann das Hafniumoxid auch mit einem der folgenden Materialien dotiert sein: Aluminium (AI), Germanium (Ge), Yttrium (Y), Gadolinium (Gd), Lanthan (La) oder Strontium (Sr). The layer can have, for example, hafnium oxide (HfO 2 ) with ferroelectric properties or be formed therefrom. Such ferroelectric hafnium oxide is compatible with known semiconductor processes, such as CMOS technology, so that simple production of the biochip is possible. A further improvement in the properties of the biochip and/or a simplification of the manufacturing process can be achieved by doping hafnium oxide, for example if the hafnium oxide having ferroelectric properties is doped with silicon. Alternatively, the hafnium oxide can also be doped with one of the following materials: aluminum (Al), germanium (Ge), yttrium (Y), gadolinium (Gd), lanthanum (La) or strontium (Sr).
[0010] Beispielsweise kann das Hafniumoxid mit ferroelektrischen Eigenschaften auch mit Zirkonium (Zr) dotiert sein. Das heißt, dass die Schicht ein Material der Klasse Hf1.xZrxO2 aufweist oder aus einem solchen gebildet ist. For example, the hafnium oxide having ferroelectric properties can also be doped with zirconium (Zr). This means that the layer comprises or is formed from a material of the class Hf 1.x ZrxO 2 .
[0011] Vorzugsweise handelt es sich bei dem Material um Hf0 5Zro.502. Dieses Material hat eine hohe remanente Polarisation Pr im Vergleich zu anderen Dotierungen mit Zirkonium, wodurch der oben beschriebene zusätzliche Beitrag zur elektrischen Stimulation von biologischem Material besonders ausgeprägt ist. The material is preferably Hf 0 5 Zro. 5 0 2 . This material has a high remanent polarization P r compared to other dopings with zirconium, as a result of which the additional contribution to electrical stimulation of biological material described above is particularly pronounced.
[0012] Es kann auch vorgesehen sein, dass die Schicht Zirkonoxid (ZrO2) mit ferroelektrischen Eigenschaften aufweist oder aus solchem gebildet ist. It can also be provided that the layer has zirconium oxide (ZrO 2 ) with ferroelectric properties or is formed from such.
[0013] Ferner kann vorgesehen werden, dass die Schicht Aluminiumscandiumnitrid mit ferroelektrischen Eigenschaften aufweist oder aus Aluminiumscandiumnitrid gebildet ist. Unter Aluminiumscandiumnitrid sind Materialien der Klasse A .xSCxN zu verstehen. Diese Materialklasse ist einerseits kompatibel zu gängigen Herstellungsverfahren, mit denen auch CMOS-Schaltungen hergestellt werden, und weist andererseits eine besonders hohe remanente Polarisation von über 100 pC/cm2 auf. Furthermore, it can be provided that the layer has aluminum scandium nitride with ferroelectric properties or is formed from aluminum scandium nitride. Aluminum scandium nitride is to be understood as class A .xSCxN materials. On the one hand, this class of materials is compatible with common manufacturing processes that are also used to produce CMOS circuits, and on the other hand it has a particularly high remanent polarization of over 100 pC/cm 2 .
[0014] Es kann auch vorgesehen sein, dass die Schicht ein ferroelektrischer Perovskit und/oder ferroelektrisches Polymer aufweist oder aus solchem gebildet ist. It can also be provided that the layer has a ferroelectric perovskite and/or ferroelectric polymer or is formed from such.
[0015] Die Anwendbarkeit der hier beschriebenen technischen Lehre ist nicht auf Materialien mit rein ferroelektrischen Eigenschaften beschränkt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Schicht multferroische Eigenschaften aufweist. Die Schicht kann also ein multiferroisches Material aufweisen oder aus einem solchen gebildet sein. Bei dem multiferroischen Material kann es sich beispielsweise um Bismutferrit (BiFeO3) handeln. The applicability of the technical teaching described here is not limited to materials with purely ferroelectric properties. It can also be provided that the layer has multiferroic properties. So the layer can be a multiferroic Have material or be formed from such. The multiferroic material can be bismuth ferrite (BiFeO 3 ), for example.
[0016] Es versteht sich, dass etwaige im Stand der Technik genannte Materialsysteme wie beispielsweise Bariumtitanat (BaTiO3) oder PZT (Blei-Zirkonat-Titanat, PbCZrxTh. Os) nicht grundsätzlich ferroelektrische Eigenschaften haben. Dies wird in manchen Veröffentlichungen verkürzt und unzutreffend vereinfacht wiedergegeben. Zwar können Materialsysteme wie beispielsweise Bariumtitanat und PZT derart ausgebildet sein, dass sie ferroelektrische Eigenschaften aufweisen. Das ist jedoch keineswegs immer der Fall (siehe beispielsweise D. J. McClure and J. R. Crowe; „Characterization of amorphous barium titanate films prepared by rf sputtering“, Journal of Vacuum Science and Technology 16, 311 1979 für Bariumtitanat ohne ferroelektrische Eigenschaften; und Hu et al., „EXAFS study of PZT ferroelectric thin films of different crystallinities“, Journal of Physics: Conference Series 430 (2013), 15th International Conference on X-ray Absorption Fine Structure (XAFS15), 2013 für PZT ohne ferroelektrische Eigenschaften). Insbesondere bei Schichten, wie dünnen dielektrischen Schichten mit amorphen (ggf. metallischen) Materialien, ist es nicht notwendigerweise so, dass diese Schichten derart ausgebildet sind, dass sie zwingend ferroelektrische Eigenschaften aufweisen. Wenn ein Material, welches als „bulk“ Material ferroelektrische Eigenschaften haben kann (z.B. PZT oder Bariumtitanat), als Schicht bzw. Dünnschicht hergestellt wird, so ist es nicht notwendigerweise so, dass die hergestellte Schicht bzw. Dünnschicht ebenfalls ferroelektrische Eigenschaften hat. Es ist jedoch möglich, auch eine Schicht bzw. Dünnschicht derart bereitzustellen, dass die Schicht bzw. Dünnschicht ferroelektrische Eigenschaften aufweist. Die ferroelektrischen Eigenschaften können durch Messung nachgewiesen werden. Optional besteht die Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften nicht aus Bariumtitanat und/oder besteht die Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften nicht aus PZT. Optional weist die Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften kein Bariumtitanat und/oder weist die Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften kein PZT auf. It goes without saying that any material systems mentioned in the prior art, such as barium titanate (BaTiO 3 ) or PZT (lead zirconate titanate, PbCZrxTh. Os) do not fundamentally have ferroelectric properties. This is abbreviated and inaccurately simplified in some publications. Material systems such as barium titanate and PZT can be designed in such a way that they have ferroelectric properties. However, this is by no means always the case (see for example DJ McClure and JR Crowe; "Characterization of amorphous barium titanate films prepared by rf sputtering", Journal of Vacuum Science and Technology 16, 311 1979 for barium titanate without ferroelectric properties; and Hu et al. , "EXAFS study of PZT ferroelectric thin films of different crystallinities", Journal of Physics: Conference Series 430 (2013), 15th International Conference on X-ray Absorption Fine Structure (XAFS15), 2013 for PZT without ferroelectric properties). In the case of layers in particular, such as thin dielectric layers with amorphous (possibly metallic) materials, it is not necessarily the case that these layers are formed in such a way that they necessarily have ferroelectric properties. If a material that can have ferroelectric properties as a “bulk” material (e.g. PZT or barium titanate) is produced as a layer or thin film, it is not necessarily the case that the produced layer or thin film also has ferroelectric properties. However, it is also possible to provide a layer or thin layer in such a way that the layer or thin layer has ferroelectric properties. The ferroelectric properties can be verified by measurement. Optionally, the layer having ferroelectric properties is not made of barium titanate and/or the layer having ferroelectric properties is not made of PZT. Optionally, the ferroelectric property layer does not include barium titanate and/or the ferroelectric property layer does not include PZT.
[0017] Insbesondere im Falle der elektrischen Stimulation des biologischen Materials kann eine Dicke der Schicht größer als 200 nm sein und hierbei vorzugsweise im Bereich zwischen 200 nm und 1500 nm, insbesondere zwischen 500 nm und 1500 nm oder zwischen 200 nm und 800 nm, liegen. Anders als bei bekannten Biochips, die eine ausschließlich kapazitive Kopplung aufweisen und somit auf eine möglichst geringe Schichtdicke zur Erzielung einer möglichst großen Kopplungskapazität angewiesen sind, kann bei dem hier beschriebenen Biochip die Schichtdicke relativ hoch gewählt werden und trotzdem eine gute Stimulationseffizienz erzielt werden. Die hohe Schichtdicke gewährleistet eine gute elektrische Isolierung zwischen Biochip und biologischem Material, d. h. geringe Leckströme. Ferner ist ein Biochip mit einer vergleichsweise großen Schichtdicke langzeitstabiler. In particular in the case of electrical stimulation of the biological material, the thickness of the layer can be greater than 200 nm and preferably in the range between 200 nm and 1500 nm, in particular between 500 nm and 1500 nm or between 200 nm and 800 nm . Unlike known biochips, which are exclusively have capacitive coupling and are therefore dependent on the smallest possible layer thickness to achieve the greatest possible coupling capacitance, the layer thickness can be selected to be relatively high in the biochip described here and good stimulation efficiency can nevertheless be achieved. The high layer thickness ensures good electrical insulation between the biochip and the biological material, ie low leakage currents. Furthermore, a biochip with a comparatively large layer thickness is more stable over the long term.
[0018] Wenn die Trägerstruktur ein Substrat aus einem Halbleitermaterial aufweist oder aus einem solchen gebildet ist, kann der Biochip einfach mit aus der Halbleitertechnik bekannten Herstellungsprozessen hergestellt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Trägerstruktur mindestens eines der folgenden Materialien aufweist oder daraus gebildet ist: Polyimid, Epoxidharz, Parylene. Diese Materialien sind biokompatibel und deshalb zur Herstellung des Biochips besonders geeignet. Es können aber auch andere biokompatible und/oder dielektrische Materialien verwendet werden. [0018] If the carrier structure has a substrate made of a semiconductor material or is formed from such a material, the biochip can be easily manufactured using manufacturing processes known from semiconductor technology. It can also be provided that the carrier structure has at least one of the following materials or is formed from it: polyimide, epoxy resin, parylene. These materials are biocompatible and therefore particularly suitable for producing the biochip. However, other biocompatible and/or dielectric materials can also be used.
[0019] Insbesondere wenn der Biochip (auch) für elektrische Messungen an dem biologischen Material eingerichtet ist, kann die Schicht einen Teil eines ferroelektrischen Feldeffekttransistors (FeFET) des Biochips bilden. Der FeFET kann hierbei einen Teil einer Eingangsstufe einer entsprechenden Messschaltung bilden. Es kann auch vorgesehen sein, dass der FeFET zu einem künstlichen Neuron gehört. Dieses kann zum Beispiel mit einem im biologischen Material vorhandenen biologischen Neuron gekoppelt sein. In particular, if the biochip is (also) set up for electrical measurements on the biological material, the layer can form part of a ferroelectric field effect transistor (FeFET) of the biochip. In this case, the FeFET can form part of an input stage of a corresponding measuring circuit. It can also be provided that the FeFET belongs to an artificial neuron. This can, for example, be coupled to a biological neuron present in the biological material.
[0020] Hierbei kann vorgehen werden, dass die Kopplungsfläche eine Gate-Elektrode des ferroelektrischen Feldeffekttransistors aufweist oder eine solche bildet. Hierbei kann die Schicht einer ferroelektrisch wirkenden Isolierschicht des FeFETs entsprechen. Alternativ ist auch ein mehrschichtiger Aufbau des Gate-Bereichs des FeFETs denkbar, wobei der Gate-Bereich die ferroelektrische Schicht und eine weitere Schicht umfasst, bei der es sich um eine Isolierschicht handeln kann. The procedure can be that the coupling surface has a gate electrode of the ferroelectric field effect transistor or forms one. In this case, the layer can correspond to a ferroelectrically acting insulating layer of the FeFET. Alternatively, a multi-layer construction of the gate area of the FeFET is also conceivable, with the gate area comprising the ferroelectric layer and a further layer, which can be an insulating layer.
[0021] Der Biochip kann derart ausgebildet sein, dass er memresistive bzw. memristive Eigenschaften aufweist. Insbesondere kann die Schicht derart ausgebildet sein, dass ein ferroelektrischer Tunnelkontakt ausgebildet wird. Der Biochip kann als Memristor ausgebildet sein. Insbesondere wenn die Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften besonders dünn ist, können die memristiven Eigenschaften insbesondere dadurch auftreten, dass ein sogenannter ferroelektrischer Tunnelkontakt ausgebildet wird. Memristive Eigenschaften können dann durch die ferroelektrischen Eigenschaften der Schicht zwischen den Elektroden auftreten: Zum Beispiel weil sich ein ferroelektrischer Tunnelkontakt ausbildet. Der Biochip kann also dazu eingerichtet sein, dass sich ein ferroelektrischer Tunnelkontakt ausbildet. Eine Dicke der Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften ist beispielsweise kleiner oder gleich 10 nm, insbesondere kleiner oder gleich 7,5 nm, insbesondere kleiner oder gleich 5 nm. Ein als Memristor ausgebildeter Biochip kann als künstliche Synapse verwendet werden. The biochip can be designed in such a way that it has memresistive or memristive properties. In particular, the layer can be formed in such a way that a ferroelectric tunnel contact is formed. The biochip can be designed as a memristor be. In particular when the layer with ferroelectric properties is particularly thin, the memristive properties can occur in particular in that a so-called ferroelectric tunnel contact is formed. Memristive properties can then occur due to the ferroelectric properties of the layer between the electrodes: for example, because a ferroelectric tunnel contact is formed. The biochip can therefore be set up in such a way that a ferroelectric tunnel contact is formed. A thickness of the layer with ferroelectric properties is, for example, less than or equal to 10 nm, in particular less than or equal to 7.5 nm, in particular less than or equal to 5 nm. A biochip designed as a memristor can be used as an artificial synapse.
[0022] Der Biochip kann dazu eingerichtet sein, als Teil einer Anordnung verwendet zu werden, welche mindestens ein künstliches neuronales Netzwerk mit einem biologischen neuronalen Newtwerk koppelt. Der Biochip kann dazu eingerichtet sein, ein künstliches Neuron mit einem biologischen Neuron zu koppeln. The biochip can be set up to be used as part of an arrangement which couples at least one artificial neural network to a biological neural network. The biochip can be set up to couple an artificial neuron to a biological neuron.
[0023] Der Biochip kann mehrere voneinander getrennte Kopplungsflächen unterschiedlicher Kopplungsanordnungen des Biochips aufweisen. Hierbei kann jeweils einer Kopplungsanordnung je eine Kopplungsfläche zugeordnet sein. Auf diese Weise kann ein mehrkanali- ger Biochip bereitgestellt werden. Die Kopplungsflächen können beispielsweise entlang einer Linie oder in einem Raster angeordnet sein. Ein solcher Biochip kann mehrere voneinander getrennte Schichten mit ferroelektrischen Eigenschaften aufweisen. [0023] The biochip can have a plurality of mutually separate coupling surfaces of different coupling arrangements of the biochip. A coupling surface can be assigned to each coupling arrangement. A multi-channel biochip can be provided in this way. The coupling surfaces can be arranged, for example, along a line or in a grid. Such a biochip can have several separate layers with ferroelectric properties.
[0024] Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen eines Biochips mit mindestens einer Kopplungsanordnung zur elektrischen Stimulation von biologischem Material oder für elektrische Messungen an dem biologischen Material vorgeschlagen, wobei das Verfahren aufweist: Anordnen einer Trägerstruktur an und/oder in die Kopplungsanordnung; und Herstellen einer Schicht derart, dass deren eine Schichtfläche an der Kopplungsanordnung angeordnet ist, und deren gegenüberliegende Schichtfläche eine Kopplungsfläche zur elektrischen Stimulation des biologischen Materials und/oder für elektrische Messungen an dem biologischen Material bildet, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schicht als Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften hergestellt wird. Mit einem solchen Verfahren lassen sich die oben im Zusammenhang mit dem Biochip beschriebenen Vorteile realisieren. Die Merkmale des Biochips können in entsprechender Weise in dem Verfahren vorgesehen werden. According to a further embodiment, a method for producing a biochip with at least one coupling arrangement for electrical stimulation of biological material or for electrical measurements on the biological material is proposed, the method comprising: arranging a carrier structure on and/or in the coupling arrangement; and producing a layer in such a way that one layer surface is arranged on the coupling arrangement and the opposite layer surface forms a coupling surface for electrical stimulation of the biological material and/or for electrical measurements on the biological material, the method being characterized in that the layer is produced as a layer with ferroelectric properties. With such a method, the above in connection with Realize the advantages described for the biochip. The features of the biochip can be provided in the method in a corresponding manner.
[0025] Eine weitere Ausführungsform umfasst ein elektrisch aktives Implantat mit dem hier beschriebenen Biochip. A further embodiment comprises an electrically active implant with the biochip described here.
[0026] Bei dem Implantat kann es sich zum Beispiel um ein Retina-Implantat, ein Cochlea- Implantat, ein Implantat zur Tiefenhirn-Stimulation und/oder ein Implantat zum Bereitstellen eines Brain-Machine-Interface handeln. Generell können Implantate zur Stimulation von Nervenzellen und/oder für Messungen an Nervenzellen vorgesehen werden, wobei solche Implantate mindestens einen hier beschriebenen Biochip aufweisen. The implant can be, for example, a retina implant, a cochlear implant, an implant for deep brain stimulation and/or an implant for providing a brain-machine interface. In general, implants for stimulating nerve cells and/or for measurements on nerve cells can be provided, such implants having at least one biochip described here.
[0027] Als noch weitere Ausführungsform wird eine In-Vitro-Anordnung mit einem hier beschriebenen Biochip und einer Elektrolytaufnahme, das heißt einer Anordnung zur Aufnahme eines Elektrolyten offenbart, wobei die Elektrolytaufnahme zum Anordnen des Elektrolyts an mindestens einer Kopplungsfläche des Biochips zur elektrischen Stimulation des biologischen Materials und/oder zum elektrischen Messung an dem biologischen Material eingerichtet ist. As yet another embodiment, an in vitro arrangement with a biochip described here and an electrolyte receptacle, i.e. an arrangement for receiving an electrolyte, is disclosed, the electrolyte receptacle for arranging the electrolyte on at least one coupling surface of the biochip for electrical stimulation of the biological material and/or for electrical measurement of the biological material.
[0028] Hiermit kann eine In-Vitro-Anordnung bereitgestellt werden, die mindestens ein biologisches Neuron und mindestens ein künstliches Neuron aufweist. Das biologische Neuron kann beispielsweise durch eine Nervenzelle des im Elektrolyt befindlichen biologischen Materials gebildet werden. Das künstliche Neuron kann einen FeFET umfassen, der Teil des Biochips sein kann und wie oben beschrieben ausgeführt sein kann. [0028] An in vitro arrangement can hereby be provided which has at least one biological neuron and at least one artificial neuron. The biological neuron can be formed, for example, by a nerve cell of the biological material located in the electrolyte. The artificial neuron can comprise an FeFET, which can be part of the biochip and can be implemented as described above.
[0029] Das Implantat oder die In-Vitro-Anordnung kann einen vom Biochip getrennten Halbleiterchip aufweisen, wobei ein Anschluss des Halbleiterchips über eine Leiterbahn mit einer an die Schichtfläche angrenzenden Elektrodenschicht elektrisch verbunden ist und die Leiterbahn und der Biochip auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. The implant or the in-vitro arrangement can have a semiconductor chip separate from the biochip, a connection of the semiconductor chip being electrically connected via a conductor track to an electrode layer adjoining the layer surface, and the conductor track and the biochip being arranged on a common substrate .
[0030] Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Hierbei zeigen: [0031] Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem Biochip; Other features and advantages emerge from the following description. Here show: [0031] FIG. 1 shows a schematic representation of an arrangement with a biochip;
[0032] Fig. 2 den Grundaufbau des Biochips aus Fig. 1 ; [0032] FIG. 2 shows the basic structure of the biochip from FIG. 1;
[0033] Fig. 3 eine Stimulationseinrichtung des Biochips aus Fig. 1 ; [0033] FIG. 3 shows a stimulation device of the biochip from FIG. 1;
[0034] Fig. 4 eine Darstellung der Funktionsweise der Stimulationseinrichtung aus Fig. 3; [0034] FIG. 4 shows how the stimulation device from FIG. 3 works;
[0035] Fig. 5 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs eines möglichen Spannungssignals U(t) für die Stimulationseinrichtung aus Fig. 3; [0035] FIG. 5 shows a graphic representation of the time profile of a possible voltage signal U(t) for the stimulation device from FIG. 3;
[0036] Fig. 6 eine graphische Darstellung des nichtlinearen und hysteretischen Zusammenhangs D(E) zwischen elektrischem Feld und elektrischer Verschiebungsdichte einer ferroelektrischen Schicht des Biochips; 6 shows a graphical representation of the non-linear and hysteretic relationship D(E) between the electric field and electric displacement density of a ferroelectric layer of the biochip;
[0037] Fig. 7 eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 6, jedoch für den Fall einer antiferroelektrischen Schicht; FIG. 7 shows a representation similar to FIG. 6, but for the case of an antiferroelectric layer;
[0038] Fig. 8 eine Messeinrichtung des Biochips aus Fig. 1 ; [0038] FIG. 8 shows a measuring device of the biochip from FIG. 1;
[0039] Fig. 9 eine weitere Messeinrichtung des Biochips aus Fig. 1; und [0039] FIG. 9 shows a further measuring device of the biochip from FIG. 1; and
[0040] Fig. 10 eine Biochip-Anordnung mit einer Messeinrichtung. [0040] FIG. 10 a biochip arrangement with a measuring device.
[0041] Fig. 1 zeigt eine Anordnung 11 mit einem Biochip 13. In dem gezeigten Beispiel weist die Anordnung lediglich einen Biochip 13 auf. Es ist jedoch auch möglich, mehrere Biochips, vorzugsweise in einem Raster nebeneinander angeordnet, an oder in der Anordnung 11 vorzusehen. Die Anordnung 11 weist mehrere Kopplungsflächen 15 auf. Je nach genauer Ausgestaltung kann mindestens eine dieser Kopplungsflächen 15 zur elektrischen Stimulation von biologischem Material, insbesondere einer darin befindlichen Nervenzelle, eingerichtet sein. Außerdem kann mindestens eine dieser Kopplungsflächen 15 für elektrische Messungen an dem biologischen Material, insbesondere einer darin befindlichen Nervenzelle, eingerichtet sein. Der Biochip 13 kann also mehrere Kopplungsflächen 15 aufweisen, wobei jede Kopplungsfläche 15 genau einer Kopplungsanordnung 21 des Biochips 13 zugeordnet ist. Die Kopplungsflächen 15 und/oder die Kopplungsanordnungen 21 können entlang einer Linie oder, wie in Fig. 1 dargestellt, in einem Raster angeordnet sein. 1 shows an arrangement 11 with a biochip 13. In the example shown, the arrangement has only one biochip 13. FIG. However, it is also possible to provide several biochips, preferably arranged next to one another in a grid, on or in the arrangement 11 . The arrangement 11 has a plurality of coupling surfaces 15 . Depending on the precise configuration, at least one of these coupling surfaces 15 can be set up for the electrical stimulation of biological material, in particular a nerve cell located therein. In addition, at least one of these coupling surfaces 15 for electrical measurements on the biological material, in particular on a nerve cell located therein. The biochip 13 can therefore have a plurality of coupling surfaces 15 , with each coupling surface 15 being assigned to exactly one coupling arrangement 21 of the biochip 13 . The coupling surfaces 15 and/or the coupling arrangements 21 can be arranged along a line or, as shown in FIG. 1, in a grid.
[0042] Bei der Anordnung 11 kann es sich beispielswiese um ein elektrisch aktives Implantat wie etwa eine Neuroprothese handeln. Die Anordnung kann ein Cochlea- oder Retina-Implantat sein. Ferner kann es sich bei der Anordnung 11 um ein Implantat zur Tiefen-Hirnstimu- lation zur Behandlung von neurologischen Krankheitsbildern wie etwa der Parkinson- Krankheit handeln. Bei solchen Neuroprothesen 11 kann vorgesehen sein, dass alle Kopplungsflächen 15 des mindestens einen Biochips 13 zur Stimulation von Nervenzellen eingerichtet sind. The arrangement 11 can, for example, be an electrically active implant such as a neuroprosthesis. The arrangement can be a cochlear or retina implant. Furthermore, the arrangement 11 can be an implant for deep brain stimulation for the treatment of neurological symptoms such as Parkinson's disease. In such neuroprostheses 11 it can be provided that all coupling surfaces 15 of the at least one biochip 13 are set up for stimulating nerve cells.
[0043] Alternativ dazu kann es sich bei der Anordnung um eine In-Vitro-Anordnung handeln, die ein Mikroelektrodenarray (MEA) aufweist, dessen Mikroelektroden den Kopplungsflächen 15 entsprechen. Eine solche In-Vitro-Anordnung kann mindestens ein biologisches Neuron, das durch eine im biologischen Gewebe befindliche Nervenzelle gebildet ist, und/oder mindestens ein künstliches Neuron, das zum Biochip 13 gehört, aufweisen. Eine solche Anordnung kann beispielsweise zum Studium neuronaler Netzwerke bzw. Nervengewebe angewendet werden. Das biologische Material kann sich in einem Elektrolyt befinden, der über eine geeignete Elektrolytaufnahme der Anordnung 11 , wie beispielsweise einen Elektrolytbehälter 16, mit dem Biochip 13, insbesondere dessen Kopplungsflächen 15, in Kontakt gebracht werden kann. Alternatively, the arrangement can be an in vitro arrangement comprising a microelectrode array (MEA) whose microelectrodes correspond to the coupling surfaces 15 . Such an in-vitro arrangement can have at least one biological neuron, which is formed by a nerve cell located in the biological tissue, and/or at least one artificial neuron, which belongs to the biochip 13. Such an arrangement can be used, for example, to study neuronal networks or nerve tissue. The biological material can be in an electrolyte, which can be brought into contact with the biochip 13, in particular its coupling surfaces 15, via a suitable electrolyte receptacle of the arrangement 11, such as an electrolyte container 16, for example.
[0044] Bekannte Anordnungen 11 (beispielsweise Neuroprothesen und nicht rein kapazitive MEAs) weisen elektrische leitfähige (metallische) Elektroden auf. Solche Elektroden ermöglichen einen hohen Ladungsübertrag pro Flächeneinheit (Stimulationseffizienz) von elektrischer Ladung zwischen dem biologischen Material und dem Biochip 11. Die große Stimulationseffizienz erlaubt es, die Fläche der einzelnen Elektroden klein zu halten, was wiederum eine hohe Flächendichte an Elektroden erlaubt. Allerdings ist zu beachten, dass ein zur erfolgreichen Stimulation von Nervenzellen erforderlicher Schwellenwert der an das Nervengewebe zu übertragenen Ladungsdichte von der Größe der Elektroden bzw. der Kopplungsflächen 15 abhängt. Known arrangements 11 (for example neuroprostheses and not purely capacitive MEAs) have electrically conductive (metallic) electrodes. Such electrodes enable a high charge transfer per unit area (stimulation efficiency) of electrical charge between the biological material and the biochip 11. The high stimulation efficiency allows the area of the individual electrodes to be kept small, which in turn allows a high area density of electrodes. However, it should be noted that a threshold value required for the successful stimulation of nerve cells is the the charge density to be transmitted by the nerve tissue depends on the size of the electrodes or the coupling surfaces 15 .
[0045] Nachteilig an leitfähigen Elektroden ist, dass an der Grenzfläche Elektrode/Elektrolyt irreversible elektrochemische Prozesse in Form eines Faradayschen Stroms auftreten können, die zu einer Degradation der Elektrode oder zu Zellschäden im biologischen Material führen können. Die Faradayschen Ströme an den Elektroden können zumindest zu einem großen Teil vermieden werden, wenn ein Biochip mit rein kapazitiver Kopplung verwendet wird. Ein solcher Biochip weist üblicherweise leitfähige Bereiche (zum Beispiel p-dotierte Bereiche in Silizium) auf, die mit einer dielektrischen Schicht bedeckt sind, die die Faradayschen Ströme unterbindet. Die Stimulationseffizienz dieser Biochips ist aber relativ gering und wird insbesondere durch die relative Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht und deren Dicke bestimmt. Es wird somit versucht, Materialien mit einer möglichst hohen relativen Dielektrizitätskonstante zu verwenden und die Dicke der Schicht gering zu halten. Eine geringe Schichtdicke kann allerdings zu erhöhten Leckströmen führen, was dem Ziel der Reduktion irreversibler Prozesse entgegenwirkt. A disadvantage of conductive electrodes is that irreversible electrochemical processes in the form of a Faraday current can occur at the electrode/electrolyte interface, which can lead to degradation of the electrode or to cell damage in the biological material. The Faraday currents at the electrodes can be avoided, at least to a large extent, if a biochip with purely capacitive coupling is used. Such a biochip usually has conductive areas (for example p-doped areas in silicon) which are covered with a dielectric layer which suppresses the Faraday currents. However, the stimulation efficiency of these biochips is relatively low and is determined in particular by the relative dielectric constant of the dielectric layer and its thickness. Attempts are therefore being made to use materials with the highest possible relative dielectric constant and to keep the thickness of the layer small. However, a small layer thickness can lead to increased leakage currents, which counteracts the goal of reducing irreversible processes.
[0046] Bei der hier beschriebenen Anordnung 11 weist der Biochip 13 mindestens eine Schicht 17 mit ferroelektrischen Eigenschaften auf, die durch die Kopplungsfläche 15 begrenzt wird. In the arrangement 11 described here, the biochip 13 has at least one layer 17 with ferroelectric properties, which is delimited by the coupling surface 15 .
[0047] Der Grundaufbau des Biochips 13 ist in Fig. 2 im Detail gezeigt. Man erkennt, dass eine der Kopplungsfläche 15 gegenüberliegende Schichtfläche 19 der Schicht 17 an eine Trägerstruktur 23 der Kopplungsanordnung 21 des Biochips 13 angrenzt. Die Kopplungsfläche 15 und die Schichtfläche 19 bilden gegenüberliegende Schichtflächen der Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften 17. Was die genaue Ausgestaltung der Trägerstruktur 23 angeht, besteht ein großer Gestaltungsspielraum. Beispielsweise kann die Trägerstruktur 23 wie in Fig. 2 dargestellt aus einer Schicht bestehen. Diese Schicht kann beispielsweise leitfähige Bereiche aufweisen, welche aus einem Halbleitermaterial bestehen, das, um eine gewünscht elektrische Leitfähigkeit zu erreichen, p-dotiert oder n- dotiert ist. Die Trägerstruktur 23 kann aber auch metallische Leiterbahnen aufweisen, welche in oder an der Trägerstruktur 23 angeordnet sind. Ferner kann die Trägerstruktur 23 aus einem flexiblen und biokompatiblen Material wie beispielsweise Polyimid bestehen. The basic structure of the biochip 13 is shown in detail in FIG. It can be seen that a layer surface 19 of the layer 17 opposite the coupling surface 15 adjoins a carrier structure 23 of the coupling arrangement 21 of the biochip 13 . The coupling surface 15 and the layer surface 19 form opposite layer surfaces of the layer with ferroelectric properties 17. As far as the precise configuration of the carrier structure 23 is concerned, there is a great deal of design freedom. For example, as shown in FIG. 2, the carrier structure 23 can consist of one layer. This layer can have, for example, conductive areas which consist of a semiconductor material which is p-doped or n-doped in order to achieve a desired electrical conductivity. However, the carrier structure 23 can also have metallic conductor tracks which are arranged in or on the carrier structure 23 . Furthermore, the support structure 23 consist of a flexible and biocompatible material such as polyimide.
[0048] Die Kopplungsfläche 15 der Schicht 17 begrenzt den Biochip zu einem Bereich 25 hin, in dem sich das biologische Material befindet. Das biologische Material kann sich in einem Elektrolyt 24 befinden. Der Biochip 13 und der Bereich 25 mit dem biologischen Material sind Bestandteile der Biochip-Anordnung 11. Das biologische Material kann mindestens eine Nervenzelle aufweisen, die ein biologisches Neuron bilden kann. The coupling surface 15 of the layer 17 delimits the biochip towards an area 25 in which the biological material is located. The biological material can be in an electrolyte 24 . The biochip 13 and the area 25 with the biological material are components of the biochip arrangement 11. The biological material can have at least one nerve cell which can form a biological neuron.
[0049] In dem gezeigten Beispiel bildet die Kopplungsfläche 15 eine Elektrode mit einer im Wesentlichen glatten Oberfläche. In einem nicht gezeigten Beispiel ist die Kopplungsfläche 15 so bearbeitet, dass sie einen erhöhten Flächeninhalt aufweist. Hierdurch kann eine aktiv wirksame Oberfläche vergrößert werden, um den Ladungsübertrag weiter zu steigern. Die Kopplungsfläche 15 kann insgesamt kreisförmig sein mit einem Durchmesser von 5 pm bis 200 pm, vorzugsweise 5 pm bis 100 pm, insbesondere 30 pm. Die Kopplungsfläche 15 kann auch eine andere Form, beispielweise eine Rechteck- oder Quadratform oder die Form eines sonstigen Polygons haben (vorzugsweise mit demselben Flächeninhalt wie die kreisförmige Kopplungsfläche). Sind mehrere Kopplungsflächen 15 pro Biochip 13 vorgesehen, können diese einen kleinsten Abstand von 5 pm bis 500 pm voneinander aufweisen. In the example shown, the coupling surface 15 forms an electrode with a substantially smooth surface. In an example not shown, the coupling surface 15 is machined to have an increased surface area. As a result, an actively effective surface can be enlarged in order to further increase the charge transfer. The coupling surface 15 can be circular overall with a diameter of 5 μm to 200 μm, preferably 5 μm to 100 μm, in particular 30 μm. The coupling surface 15 can also have another shape, for example a rectangle, square or other polygon shape (preferably with the same surface area as the circular coupling surface). If several coupling surfaces 15 are provided per biochip 13, they can have a minimum distance of 5 μm to 500 μm from one another.
[0050] Fig. 3 zeigt einen Querschnitt eines Biochips, der zur elektrischen Stimulation des biologischen Materials eingerichtet ist. Die Trägerstruktur 23 weist hier zwei Schichten auf, nämlich eine direkt an die Schichtfläche 19 angrenzende elektrisch leitfähige Elektrodenschicht 27, die aus Metall oder dotiertem Halbleitermaterial gebildet sein kann, und eine an die Elektrodenschicht 27 angrenzende Substratschicht 29. Die Elektrodenschicht 27 liegt also zwischen der Schicht 17 und der Substratschicht 29. Die Elektrodenschicht 27 ist an der Schicht 17 angeordnet, sodass sie mit dem ferroelektrische Eigenschaften aufweisendem Material der Schicht 17 zusammenwirkt, insbesondere wenn eine sich zeitlich ändernde elektrische Spannung U(t) an die Elektrodenschicht 27 angelegt wird. Zum Anlegen der Spannung kann wie in Fig. 3 schematisch dargestellt eine geeignete Kontaktierung vorgesehen werden, über die eine Spannungsquelle 31 an die Elektrodenschicht 27 angeschlossen werden kann. Ferner kann die Biochip-Anordnung 11 eine Gegenelektrode 33 aufweisen, mit der das biologische Material und/oder der Elektrolyt 24 kontaktierbar sind. 3 shows a cross section of a biochip that is set up for electrical stimulation of the biological material. The carrier structure 23 has two layers here, namely an electrically conductive electrode layer 27 directly adjoining the layer surface 19, which can be formed from metal or doped semiconductor material, and a substrate layer 29 adjoining the electrode layer 27. The electrode layer 27 is therefore located between the layer 17 and the substrate layer 29. The electrode layer 27 is arranged on the layer 17 so that it interacts with the material of the layer 17 having ferroelectric properties, in particular when a time-varying electrical voltage U(t) is applied to the electrode layer 27. To apply the voltage, a suitable contact can be provided, as shown schematically in FIG. 3, via which a voltage source 31 can be connected to the electrode layer 27. Furthermore, the biochip arrangement 11 a Have counter-electrode 33 with which the biological material and/or the electrolyte 24 can be contacted.
[0051] Soll das sich im Elektrolyt 24 befindende biologische Material (z. B. eine Nervenzelle) stimuliert werden, wird eine elektrische Spannung U(t) an die als Elektrode wirkende Elektrodenschicht 27 und die Gegenelektrode angelegt. Anders als bei Vorrichtungen mit ausschließlich elektrisch leitfähigen Elektroden ist der Elektrolyt 24 gegenüber der Elektrodenschicht 27 elektrisch isoliert, sodass kein Gleichstrom fließen kann, der zu einem elektrochemischen Ladungstransport führt. If the biological material (e.g. a nerve cell) in the electrolyte 24 is to be stimulated, an electrical voltage U(t) is applied to the electrode layer 27 acting as an electrode and to the counter-electrode. In contrast to devices with exclusively electrically conductive electrodes, the electrolyte 24 is electrically insulated from the electrode layer 27, so that no direct current can flow, which leads to an electrochemical charge transport.
[0052] Wie in Fig. 4 dargestellt, kommt es infolge der zeitlichen Änderung der von der Spannungsquelle 31 erzeugten Spannung U(t) trotzdem zu einer Ladungsverschiebung bzw. einem Stromfluss im Elektrolyt 24, welcher zur elektrischen Stimulation des darin befindlichen biologischen Materials genutzt wird. Wie bei der rein kapazitiven Stimulation entspricht der Stromfluss im Elektrolyt einem Maxwellschen Verschiebungsstrom. dD As shown in FIG. 4, due to the change over time in the voltage U(t) generated by the voltage source 31, there is still a charge shift or a current flow in the electrolyte 24, which is used for electrical stimulation of the biological material located therein . As with purely capacitive stimulation, the current flow in the electrolyte corresponds to a Maxwellian displacement current. dD
[0053] Die Verschiebungsstromdichte ist gegeben als die zeitliche Ableitung JD = Für einThe displacement current density is given as the time derivative J D = For a
Material mit ferroelektrischen Eigenschaften ist O (£), wobei s0 die Permittivität des Vakuums bezeichnet. Material with ferroelectric properties is O (£), where s 0 denotes the permittivity of the vacuum.
[0054] Im Falle einer ferroelektrischen Schicht setzt sich daher die Verschiebungsstromdichte JD d d (FE In the case of a ferroelectric layer, the displacement current density J D dd (FE
= EQE^F + ^P (F) im Elektrolyt 24 aus zwei Anteilen zusammen. Ein Anteil wird durch eine zeitliche Änderung der dielektrischen Polarisation P(D£) verursacht, die ihrerseits von dem mit der Spannung U t) korrespondierenden elektrischen Feld E(t) innerhalb der Schicht 17 verursacht wird. Diese rein dielektrische Verschiebungsstromdichte ist proportional zur Dielektrizitätskonstanten er der Schicht 17 und bildet den einzigen Beitrag bei der rein kapazitiven Stimulation von biologischem Material. Bei einer Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften tritt jedoch ein weiterer Anteil hinzu, welcher von der zeitlichen ■■ (FE = EQE^F + ^P (F) in the electrolyte 24 consists of two parts. A proportion is caused by a temporal change in the dielectric polarization P (D 1 ) , which in turn is caused by the electric field E(t) within the layer 17 corresponding to the voltage U t ). This purely dielectric displacement current density is proportional to the dielectric constant e r of layer 17 and forms the only contribution in the purely capacitive stimulation of biological material. In the case of a layer with ferroelectric properties, however, there is an additional component which depends on the time ■■ (FE
Änderung der ferroelektrischen Polarisation P verursacht wird, die ihrerseits ebenfalls von dem mit der Spannung U(t) korrespondierenden elektrischen Feld E(t) innerhalb der Schicht 17 verursacht wird. Für eine Schicht 17 der Dicke d (siehe Fig. 2), welche durch . . U(t) die beiden Schichtflächen 15, 19 begrenzt ist gilt dabei der Zusammenhang E(t) = Change in the ferroelectric polarization P is caused, which in turn is also of the voltage U (t) corresponding electric field E (t) within the Layer 17 is caused. For a layer 17 of thickness d (see Fig. 2) defined by . . U(t) is limited to the two layer surfaces 15, 19, the relationship E(t)=
[0055] Fig. 5 zeigt exemplarisch den zeitlichen Verlauf eines bipolaren Spannungssignals in Form einer Sinusschwingung mit einer Frequenz f von 100 Hz und einer Amplitude Umax = - Umin, wobei ein Wert des Spannungssignals während seines zeitlichen Verlaufs einen Maximalwert Umax und einen Minimalwert Umjn annimmt, welche einem Maximalwert Emax und einem Minimalwert Emin der korrespondirenden elektrischen Feldstärke E innerhalb der Schicht 17 entsprechen. Solche Spannungssignale können beispielsweise zur elektrischen Stimulation von elektrogenen Zellen eingesetzt werden, sie können aber auch dazu verwendet werden den nichtlinearen und hysteretischen Zusammenhang D(E) von Materialien mit ferroelektrischen Eigenschaften zu messen. Fig. 5 shows an example of the time profile of a bipolar voltage signal in the form of a sinusoidal oscillation with a frequency f of 100 Hz and an amplitude U max = - U min , a value of the voltage signal during its time profile a maximum value U max and a assumes a minimum value U mjn , which corresponds to a maximum value E max and a minimum value E min of the corresponding electric field strength E within the layer 17 . Such voltage signals can be used, for example, for the electrical stimulation of electrogenic cells, but they can also be used to measure the nonlinear and hysteretic relationship D(E) of materials with ferroelectric properties.
[0056] Fig. 6 zeigt den typischen Verlauf des nichtlinearen und hysteretischen Zusammenhangs D(£) für ein ferroelektrisches Material. Durch das Anlegen einer Feldstärke E welche oberhalb der materialspezifischen Koerzitivfeldstärke Ec liegt kann die ferroelektrische Polarisation umgepolt werden. Nach Abschalten des elektrischen Felds bleibt die remanente FE) 6 shows the typical course of the non-linear and hysteretic relationship D(ε) for a ferroelectric material. The ferroelectric polarization can be reversed by applying a field strength E which is above the material-specific coercive field strength Ec. After switching off the electric field, the remanent FE remains)
Polarisation Pr = P (0) erhalten, welche je nach Vorgeschichte die zwei Zustände +Pr und -Pr annehmen kann. Auf Basis dieser zwei stabilen Zustände basieren ferroelektrische Speicher. Polarization P r = P (0) obtained, which can assume the two states +P r and -P r depending on the history. Ferroelectric memories are based on these two stable states.
[0057] Fig. 7 zeigt den typischen Verlauf des nichtlinearen und hysteretischen Zusammenhangs D(E) für ein antiferroelektrisches Material. Die ferroelektrische Hysterese tritt hier erst ab einer kritischen Feldstärke E CrnD auf. Nach Abschalten des elektrischen Felds verschwindet die elektrische Polarisation wieder. 7 shows the typical course of the nonlinear and hysteretic relationship D(E) for an antiferroelectric material. The ferroelectric hysteresis occurs here only above a critical field strength EC r n D. After switching off the electric field, the electric polarization disappears again.
[0058] Aus der Kenntnis des in Fig. 6 und Fig. 7 dargestellten nichtlinearen und hysteretischen Zusammenhangs D(E) eines Materials mit ferroelektrischen Eigenschaften lässt sich die Stimulationseffizienz quantifizieren. Wird die Stimulationseffizienz mit einer auf eine Flächeneinheit etwa der Kopplungsfläche 15 bezogenen übertragenen Ladungsdichte pstim quantifiziert (hervorgerufen durch ein Spannungssignal U(t) wie beispielsweise das in Fig. 5 und gemessen z. B. in pC/cm2), ergibt sich der folgende allgemeine Zusammenhang p “ sttm = D(E max )' - D(E mi .n )'. The stimulation efficiency can be quantified from the knowledge of the non-linear and hysteretic relationship D(E) of a material with ferroelectric properties shown in FIG. 6 and FIG. If the stimulation efficiency is transferred with a charge density p stim quantified (caused by a voltage signal U(t) such as that in Fig. 5 and measured e.g. in pC/cm 2 ), the following general relationship results p “sttm = D(E max )' - D(E mi .n )'.
[0059] Bei der Umpolung eines ferroelektrischen Materials, welches beispielsweise die in Fig. 6 gezeigte Hystereskurve D(E) aufweist, folgt aus dem allgemeinen Zusammenhang für die Stimulationseffizienz In the case of polarity reversal of a ferroelectric material which, for example, has the hysteresis curve D(E) shown in FIG. 6, it follows from the general relationship for the stimulation efficiency
[0060] pstim = Cs Umax - Umin) + 2P p stim = C s U max - U min ) + 2P
[0061] Hierbei entspricht Cs der Kapazität pro Flächeneinheit (gemessen z. B. in pF/cm2) eines durch die beiden Schichtflächen 15, 19 gebildeten Plattenkondensators und Pr entspricht dem Betrag der remanenten Polarisation des ferroelektrischen Materials der Schicht 17. Here, C s corresponds to the capacitance per unit area (measured e.g. in pF/cm 2 ) of a plate capacitor formed by the two layer surfaces 15, 19 and P r corresponds to the amount of remanent polarization of the ferroelectric material of layer 17.
[0062] Der von den ferroelektrischen Eigenschaften herrührender Anteil 2Pr der übertragenen Ladungsdichte pstim ergibt sich dadurch, dass die von der Spannungsquelle 31 erzeugte Spannung U(t) eine Umpolung der remanenten Polarisation Pr in der Schicht 17 bewirkt. Zum Ansteuern des Biochips 13 kann die Amplitude des Spannungssignals U(t) so gewählt werden, dass die korrespondierende Feldstärke E in der Schicht 17 betragsmäßig mindestens so groß ist wie die Koerzitivfeldstärke Ec. The proportion 2P r of the transmitted charge density p stim that originates from the ferroelectric properties results from the fact that the voltage U(t) generated by the voltage source 31 causes a polarity reversal of the remanent polarization P r in the layer 17 . In order to control the biochip 13, the amplitude of the voltage signal U(t) can be selected such that the corresponding field strength E in the layer 17 is at least as great in absolute terms as the coercive field strength E c .
[0063] Die Schicht 17 kann aus Hafniumoxid (HfO2) mit ferroelektrischen Eigenschaften oder dotiertem Hafniumoxid mit ferroelektrischen Eigenschaften bestehen oder selbiges zumindest enthalten. The layer 17 can consist of hafnium oxide (HfO 2 ) with ferroelectric properties or doped hafnium oxide with ferroelectric properties or at least contain the same.
[0064] Beispielsweise kann die Schicht 17 aus mit Zirkonium dotiertem Hafniumoxid (Hf1.xZrxO2) bestehen oder selbiges zumindest enthalten. Für x = 0,5 ergibt sich Hf0.5Zro.502, mit dem sich die Schicht 17 mit einer Dicke von d = 9,5 nm herstellen lässt. Eine solche Schicht 17 hat folgende Eigenschaften bei Umin = 0V und Umax = IV: er = 40, Cs = 3,7pF/cm 2, Ec = 100 oder 1000kV/cm, Pr = 16 pC/cm 2, For example, the layer 17 can consist of zirconium-doped hafnium oxide (Hf 1.x Zr x O 2 ) or at least contain the same. For x = 0.5, the result is Hf 0.5 Zro. 5 0 2 , with which the layer 17 can be produced with a thickness of d=9.5 nm. Such a layer 17 has the following properties at U min = 0V and U max = IV: e r = 40, C s = 3.7 pF/ cm 2 , E c = 100 or 1000 kV /cm, P r = 16 pC/ cm 2 ,
[0065] Man erkennt, dass der Anteil 2Pr in diesem Beispiel schon 32 |iC/cm 2 beträgt also den durch die rein kapazitive Stimulation erzielten Anteil weit übersteigt. It can be seen that the proportion 2P r in this example is already 32 |iC/ cm 2 , ie it far exceeds the proportion achieved by purely capacitive stimulation.
[0066] Die Schicht 17 kann auch aus Aluminiumscandiumnitrid (A .xSCxN) mit ferroelektrischen Eigenschaften bestehen oder selbiges zumindest enthalten. Dieses Material ist kompatibel mit Halbleiterherstellungsprozessen, die auch zum Herstellen von CMOS-Schaltungen verwendet werden. Wegen seiner relativ hohen remanenten Polarisation von über 100 nC/cm ergeben sich übertragbare Ladungsdichten von mehr als 200 p.C/cm . The layer 17 can also consist of aluminum scandium nitride (A.xSCxN) with ferroelectric properties or at least contain the same. This material is compatible with semiconductor manufacturing processes that are also used to make CMOS circuits. Because of its relatively high remanent polarization of over 100 nC/cm, transferrable charge densities of more than 200 p.C/cm result.
[0067] Das Material, aus dem die Schicht 17 besteht oder das die Schicht 17 aufweist, kann darüber hinaus auch ein Antiferroelektrikum sein. Bei dem Material kann es sich beispielsweise um mit Silizium (Si) dotiertes Hafniumoxid (HfO2) handeln. Antiferroelektrika weisen einen in Fig. 7 qualitativ dargestellten Verlauf D(E') auf. The material from which the layer 17 consists or which the layer 17 comprises can also be an antiferroelectric. The material can be, for example, hafnium oxide (HfO 2 ) doped with silicon (Si). Antiferroelectrics have a curve D(E') shown qualitatively in FIG.
[0068] Schließlich kann das Material, das die Schicht 17 aufweist oder aus dem die Schicht 17 besteht, auch multiferroische Eigenschaften aufweisen, d.h. sowohl ferroelektrisch als auch ferromagnetisch sein. Beispielsweise kann es sich hierbei um Bismutferrit (BiFeO3) handeln. Finally, the material which has the layer 17 or from which the layer 17 consists, can also have multiferroic properties, ie it can be both ferroelectric and ferromagnetic. For example, this can be bismuth ferrite (BiFeO 3 ).
[0069] Da die Stimulationseffizienz maßgeblich von den ferroelektrischen Eigenschaften bestimmt wird, kann die Dicke d der Schicht 17 vergleichsweise groß gewählt werden. Anstelle des oben gennannten Werts von d = 9,5 nm sind auch deutlich größerer Werte möglich, z. B. mehr als 200 nm, 200 nm bis 1500 nm, 200 nm bis 800 nm oder 500 nm bis 1500 nm. Since the stimulation efficiency is largely determined by the ferroelectric properties, the thickness d of the layer 17 can be selected to be comparatively large. Instead of the above value of d=9.5 nm, significantly larger values are also possible, e.g. B. more than 200 nm, 200 nm to 1500 nm, 200 nm to 800 nm or 500 nm to 1500 nm.
[0070] Es kann jedoch auch ein weiterer Effekt genutzt werden. Wenn die Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften besonders dünn ist, können die memristiven Eigenschaften insbesondere dadurch auftreten, dass ein sogenannter ferroelektrischer Tunnelkontakt ausge- bildet wird. Der Biochip kann also dazu eingerichtet sein, dass sich ein ferroelektrischer Tunnelkontakt ausbildet. Eine Dicke der Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften ist beispielsweise kleiner oder gleich 100 nm, insbesondere kleiner oder gleich 50 nm, insbesondere kleiner oder gleich 20 nm, insbesondere kleiner oder gleich 10 nm, insbesondere kleiner oder gleich 7,5 nm, insbesondere kleiner oder gleich 5 nm. insbesondere kleiner oder gleich 4 nm insbesondere kleiner oder gleich 2,5 nm. However, another effect can also be used. If the layer with ferroelectric properties is particularly thin, the memristive properties can occur in particular in that a so-called ferroelectric tunnel contact is is formed. The biochip can therefore be set up in such a way that a ferroelectric tunnel contact is formed. A thickness of the layer with ferroelectric properties is, for example, less than or equal to 100 nm, in particular less than or equal to 50 nm, in particular less than or equal to 20 nm, in particular less than or equal to 10 nm, in particular less than or equal to 7.5 nm, in particular less than or equal to 5 nm. in particular less than or equal to 4 nm, in particular less than or equal to 2.5 nm.
[0071] Es versteht sich, dass die ferroelektrische Schicht (17) nicht nur ausschließlich in einem planaren (2D) Plattenkondensatordesign angeordnet sein kann, sondern auch in anderen Anordnungen wie beispielsweise in einer 3D-Kondensator-Struktur wie beispielsweise einem sogenannten deep-trench-capacitor bzw. einem Tiefgraben-Kondensator. It goes without saying that the ferroelectric layer (17) can be arranged not only exclusively in a planar (2D) plate capacitor design, but also in other arrangements such as, for example, in a 3D capacitor structure such as a so-called deep trench capacitor or a deep trench capacitor.
[0072] Fig. 8 zeigt einen Ausschnitt aus einem Biochip 13, der zum Durchführen von elektrischen Messungen an dem im Elektrolyt 24 befindlichen biologischen Material eingerichtet ist. Die Trägerstruktur 23 weist eine Substratschicht 29 aus Halbleitermaterial auf. In der Substratschicht 29 sind, vorzugsweise in einem Bereich, der an die Schicht 17 angrenzt, jeweils eine Drain-Zone 35 und eine Source-Zone 37 angeordnet. Die beiden Zonen 35, 37 sind voneinander beabstandet an der Schicht 17 angeordnet. Die beiden Zonen 35 und 37 können dadurch gebildet sein, dass das Halbleitermaterial dort bezüglich einer Dotierung der Substratschicht 17 außerhalb der Zonen 35, 37 entgegengesetzt dotiert ist. Beispielsweise können die beiden Zonen 35, 37 n-dotiert sein und der Rest der Substratschicht 29 kann p-dotiert sein (oder umgekehrt). FIG. 8 shows a section of a biochip 13 that is set up to carry out electrical measurements on the biological material located in the electrolyte 24 . The carrier structure 23 has a substrate layer 29 made of semiconductor material. A drain zone 35 and a source zone 37 are arranged in the substrate layer 29, preferably in a region which adjoins the layer 17. FIG. The two zones 35, 37 are arranged on the layer 17 at a distance from one another. The two zones 35 and 37 can be formed in that the semiconductor material there is oppositely doped with respect to a doping of the substrate layer 17 outside of the zones 35, 37. For example, the two zones 35, 37 can be n-doped and the rest of the substrate layer 29 can be p-doped (or vice versa).
[0073] Die Substratschicht 29, die Drain-Zone 35 und die Schicht 17 bilden einen ferroelektrischen Feldeffekttransistor (FeFET). Die Kopplungsfläche 15 der Schicht 17 entspricht dabei einem Gate-Kontakt des FeFETs 39, der mit dem Elektrolyt 24 elektrisch verbunden ist. Die Schicht 17 bildet eine Isolierschicht des FeFETs 39, die mit einem Gate-Oxid eines klassischen MOSFETs vergleichbar ist. Die Drain-Zone 35, die Source- Zone 37 sowie die Substratschicht 29 sind mit entsprechenden Anschlüssen UD, Us und UB des FeFETs 39 elektrisch verbunden, die jeweils einen Drain-Kontakt, einen Source- Kontakt und einen Bulk-Kontakt des FeFETs 39 bilden. Der Elektrolyt 24 kann mittels einer Referenzelektrode auf ein Bezugspotential, zum Beispiel ein Massepotential GND, gebracht sein. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Bulk-Anschluss UB des FeFET sich auf demselben elektrischen Potential befindet wie der Elektrolyt 24 und/oder dass die Referenzelektrode in die Substratschicht 29 integriert ist. The substrate layer 29, the drain region 35 and the layer 17 form a ferroelectric field effect transistor (FeFET). In this case, the coupling surface 15 of the layer 17 corresponds to a gate contact of the FeFET 39 which is electrically connected to the electrolyte 24 . The layer 17 forms an insulating layer of the FeFET 39, which is comparable to a gate oxide of a classic MOSFET. The drain zone 35, the source zone 37 and the substrate layer 29 are electrically connected to corresponding terminals U D , U S and U B of the FeFET 39 which each have a drain contact, a source contact and a bulk contact of the FeFETs 39 form. The electrolyte 24 can be brought to a reference potential, for example a ground potential GND, by means of a reference electrode. It can be provided here that the bulk connection U B of the FeFET is at the same electrical potential as the electrolyte 24 and/or that the reference electrode is integrated into the substrate layer 29.
[0074] Der FeFET 39 kann ein Teil einer Eingangsstufe der Biochip-Anordnung 11 bilden, die für elektrische Messungen an biologischem Material, insbesondere an darin enthaltenen Nervenzellen, ausgeführt ist. Ferner kann der FeFET 39 darüber hinaus ein Teil eines künstlichen Neurons sein. Insgesamt können mit Hilfe der Biochip-Anordnung 11 Untersuchungen an Nervengewebe vorgenommen werden. Die Biochip-Anordnung 11 kann für neuro- morphes Computing verwendet werden. Außerdem kann es sich bei der Biochip-Anord- nung 11 um ein Brain-Machine-Interface (Gehirn-Maschinen-Schnittstelle), insbesondere um ein Brain-Computer-Interface (Gehirn-Computer-Schnittstelle), handeln. The FeFET 39 can form part of an input stage of the biochip arrangement 11, which is designed for electrical measurements on biological material, in particular on nerve cells contained therein. Furthermore, the FeFET 39 can also be a part of an artificial neuron. A total of 11 examinations of nerve tissue can be carried out using the biochip arrangement. The biochip arrangement 11 can be used for neuromorphic computing. In addition, the biochip arrangement 11 can be a brain-machine interface (brain-machine interface), in particular a brain-computer interface (brain-computer interface).
[0075] Eine Messeinrichtung des Biochips 11 kann auch wie in Fig. 9 gezeigt aufgebaut sein. Anders als die in Fig. 7 gezeigten Messeinrichtung weist die Trägerstruktur 23 eine elektrische Verbindungsanordnung („Metal Stack“ 41) auf. Der Drain-Zone 35 und der Source- Zone 37 sind eine Isolierschicht 47 zugeordnet, sodass sich eine MOSFET-Struktur 42 umfassend die beiden Zonen 35, 37 und die Isolierschicht 47 ergibt. Die Isolierschicht 47 kann auf der Substratschicht 29 angeordnet sein und/oder aus Polysilizium bestehen. Die Verbindungsanordnung 41 ist so zwischen der Isolierschicht 47 und der ferroelektrischen Schicht 17 angeordnet, dass sie diese miteinander elektrisch verbindet. In dem gezeigten Beispiel sind in der verwendeten Halbleitertechnologie sechs Metall-Iagen („Metal Layers“) vorgesehen. Dementsprechend weist die Verbindungsanordnung 41 sechs in verschiedenen Metalllagen angeordnete Leiter 43 auf, wobei Leiter benachbarter Metalllagen über Durchkontaktierungen („Vias“ 45) miteinander verbunden sind. Abweichend hiervon kann die Anzahl der Metalllagen je nach Bedarf variiert werden. A measuring device of the biochip 11 can also be constructed as shown in FIG. Unlike the measuring device shown in FIG. 7, the carrier structure 23 has an electrical connection arrangement (“metal stack” 41). An insulating layer 47 is assigned to the drain zone 35 and the source zone 37, so that a MOSFET structure 42 comprising the two zones 35, 37 and the insulating layer 47 results. The insulating layer 47 can be arranged on the substrate layer 29 and/or consist of polysilicon. The connection arrangement 41 is arranged between the insulating layer 47 and the ferroelectric layer 17 in such a way that it electrically connects them to one another. In the example shown, six metal layers (“metal layers”) are provided in the semiconductor technology used. Correspondingly, the connecting arrangement 41 has six conductors 43 arranged in different metal layers, conductors of adjacent metal layers being connected to one another via plated-through holes (“vias” 45). Deviating from this, the number of metal layers can be varied as required.
[0076] Ein weiteres Beispiel für eine Messeinrichtung stellt die in Fig. 10 gezeigte Anordnung 11 dar, die sich besonders zum Durchführen von In-vivo-Messungen eignet. Ähnlich wie in der Messeinrichtung aus Fig. 9 weist die Messeinrichtung einen MOSFET auf. Dieser gehört jedoch zu einem vom Biochip 13 getrennten Halbleiterchip 49. Ein Anschluss des Halbleiterchips 49 ist über eine Leiterbahn 43 mit der Elektrodenschicht 27 elektrisch verbunden. Bei dem Anschluss kann es sich um einen Gate-Anschluss des MOSFET handeln. In dem gezeigten Beispiel ist die Leiterbahn 43 auf dem Substrat 29 des Biochips 13 angebracht. Das Substrat 29 kann aus einem biokompatiblen dielektrischen Material, wie zum Beispiel einem Polyimid gebildet sein. Hierbei können die Leiterbahn 43 und das Substrat 29 eine flexible Leiterplatte („Flex PCB“) bilden. Die Leiterbahn 43 kann beispielsweise aus Gold bestehen und/oder an einer vom Substrat 29 abgewandten Seite, zum Beispiel mittels einer Parylene-Schicht, elektrisch isoliert sein. Another example of a measuring device is the arrangement 11 shown in FIG. 10, which is particularly suitable for carrying out in-vivo measurements. Similar to the measuring device from FIG. 9, the measuring device has a MOSFET. However, this belongs to a semiconductor chip 49 that is separate from the biochip 13 . A connection of the semiconductor chip 49 is electrically connected to the electrode layer 27 via a conductor track 43 . The connection can be a gate connection of the MOSFET. In the example shown, the conductor track 43 is on the substrate 29 of the biochip 13 appropriate. The substrate 29 may be formed from a biocompatible dielectric material such as a polyimide. In this case, the conductor track 43 and the substrate 29 can form a flexible printed circuit board (“flex PCB”). The conductor track 43 can consist of gold, for example, and/or be electrically insulated on a side facing away from the substrate 29, for example by means of a parylene layer.
[0077] Bei der Messeinrichtung können die Elemente 43, 27 und 17 mehrfach vorhanden sein und nebeneinander, beispielsweise in einer Richtung, die zumindest im Wesentlichen orthogonal zur Zeichenebene der Fig. 10 verläuft, angeordnet sein. Auf diese Weise ergibt sich eine mehrkanalige Messanordnung mit mehreren Kopplungsanordnungen 21. In the measuring device, the elements 43, 27 and 17 can be present multiple times and can be arranged next to one another, for example in a direction which runs at least essentially orthogonally to the plane of the drawing in FIG. This results in a multi-channel measurement arrangement with a number of coupling arrangements 21.
[0078] Die Anordnung 11 in Fig. 10 kann auch zur Stimulation des biologischen Materials eingerichtet sein. Hierzu kann zumindest ein Teil der Kopplungsflächen und/oder einer Schaltung im Halbleiterchip 49 entsprechend ausgestaltet sein. Werden für die Messungen und für die Stimulation unterschiedliche Kopplungsflächen an den jeweiligen Schichten 17 verwendet, können die Messungen und die Stimulation an verschiedenen Orten an einer Oberfläche der Anordnung 11 bzw. an verschiedenen Orten des biologischen Materials durchgeführt werden. Es wird also eine simultane und ortsaufgelöste Messung und Stimulation ermöglicht. Optional ist der Biochip eingerichtet zur simultanen Messung und Stimulation. Beispielsweise kann der Biochip mehrere unterschiedliche Kopplungsflächen aufweisen. Der Biochip kann wenigstens eine Kopplungsfläche zur Messung und wenigstens eine weitere Kopplungsfläche zur simultanen Stimulation aufweisen. The arrangement 11 in FIG. 10 can also be set up for stimulating the biological material. At least part of the coupling surfaces and/or a circuit in the semiconductor chip 49 can be designed accordingly for this purpose. If different coupling surfaces on the respective layers 17 are used for the measurements and for the stimulation, the measurements and the stimulation can be carried out at different locations on a surface of the arrangement 11 or at different locations on the biological material. Simultaneous and spatially resolved measurement and stimulation is thus made possible. The biochip is optionally set up for simultaneous measurement and stimulation. For example, the biochip can have a number of different coupling surfaces. The biochip can have at least one coupling surface for measurement and at least one further coupling surface for simultaneous stimulation.
[0079] Zusammengefasst wird vorliegend ein Biochip 13 beschrieben, der den in den Figuren 6 und 7 gezeigten nichtlinearen und hysteretischen Verlauf D(F) der elektrischen Verschiebungsdichte D in der Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften 17 in Abhängigkeit vom elektrischen Feld E ausnutzt, um einen höheren Ladungsübertrag in den Elektrolyten 24 zu erreichen als mit einer rein kapazitiven Stimulation möglich wäre. Hierdurch kann eine elektrische Stimulation von biologischem Material mit einer höheren Stimulationseffizienz erzielt werden. Dies wiederum ermöglicht erstmals den Aufbau von Mikroelektroden-Ar- rays und elektrisch aktiven Implantaten mit einer hohen Elektrodendichte ohne elektrochemischen Ladungstransport zwischen der Kopplungsfläche 15 und dem Elektrolyt 24. Ferner können Messungen am biologischen Material mit Hilfe des FeFETs 39, mit Hilfe einer Messeinrichtung mit dem MOSFET 42, oder mit Hilfe einer passiven Messeinrichtung durchgeführt werden. In summary, a biochip 13 is described here that uses the nonlinear and hysteretic curve D(F) of the electrical displacement density D in the layer with ferroelectric properties 17 as a function of the electric field E shown in FIGS To achieve charge transfer in the electrolyte 24 than would be possible with a purely capacitive stimulation. In this way, electrical stimulation of biological material can be achieved with a higher stimulation efficiency. This in turn enables the construction of microelectrode arrays and electrically active implants with a high electrode density without electrochemical charge transport between the coupling surface 15 and the electrolyte 24 for the first time a measuring device with the MOSFET 42, or with the help of a passive measuring device.

Claims

Patentansprüche Biochip (13) mit mindestens einer Kopplungsanordnung (21 ) zur elektrischen Stimulation von biologischem Material (24) oder zum elektrischen Messen an dem biologischen Material (24), wobei der Biochip (13) aufweist: Claims Biochip (13) with at least one coupling arrangement (21) for electrically stimulating biological material (24) or for electrically measuring the biological material (24), the biochip (13) having:
- eine Trägerstruktur (23), die an und/oder in der Kopplungsanordnung (21) angeordnet ist; und - A support structure (23) which is arranged on and/or in the coupling arrangement (21); and
- eine Schicht (17), deren eine Schichtfläche (19) an der Kopplungsanordnung (21) angeordnet ist, und deren gegenüberliegende Schichtfläche eine Kopplungsfläche (15) zur elektrischen Stimulation des biologischen Materials (24) und/oder zum elektrischen Messen an dem biologischen Material (24) bildet; dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (17) ferroelektrische Eigenschaften aufweist. Biochip (13) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (17) Hafniumoxid mit ferroelektrischen Eigenschaften aufweist. Biochip (13) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hafniumoxid mit ferroelektrischen Eigenschaften mit Silizium dotiert ist. Biochip (13) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hafniumoxid mit ferroelektrischen Eigenschaften mit Zirkonium dotiert ist. Biochip (13) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mit Zirkonium dotierte Hafniumoxid mit ferroelektrischen Eigenschaften die Zusammensetzung Hfo.5Zro.5O2 aufweist. Biochip (13) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (17) Zirkonoxid mit ferroelektrischen Eigenschaften aufweist. Biochip (13) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (17) Aluminiumscandiumnitrid mit ferroelektrischen Eigenschaften aufweist. Biochip (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke (d) der Schicht (17) größer als 200 nm ist, vorzugsweise im Bereich zwischen 200 nm und 1500 nm, vorzugsweise zwischen 200 nm und 800 nm, liegt. Biochip (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (23) ein Substrat (29) aus einem Halbleitermaterial aufweist. Biochip (13) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (17) einen Teil eines ferroelektrischen Feldeffekttransistors (39) des Biochips (13) bildet. Biochip (13) nach Anspruch 10, wobei die Schicht (17) eine Isolierschicht des ferroelektrischen Feldeffekttransistors (39) bildet. Biochip (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Biochip (13) memristive Eigenschaften aufweist; insbesondere wobei die Schicht derart ausgebildet ist, dass ein ferroelektrischer Tunnelkontakt ausgebildet wird. Biochip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Biochip (13) dazu eingerichtet ist, ein künstliches neuronales Netzwerk mit einem biologischen neuronalen Netzwerk zu koppeln. Biochip (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Biochip (13) mehrere voneinander getrennte Kopplungsflächen (15) unterschiedlicher Kopplungsanordnungen (21) des Biochips (13) aufweist. Verfahren zum Herstellen eines Biochips (13) mit mindestens einer Kopplungsanordnung (21) zur elektrischen Stimulation von biologischem Material (24) oder zum elektrischen Messen an dem biologischen Material (24), wobei das Verfahren aufweist: - a layer (17), one layer surface (19) of which is arranged on the coupling arrangement (21) and the opposite layer surface of which has a coupling surface (15) for electrical stimulation of the biological material (24) and/or for electrical measurement on the biological material (24) forms; characterized in that the layer (17) has ferroelectric properties. Biochip (13) according to claim 1, characterized in that the layer (17) has hafnium oxide with ferroelectric properties. Biochip (13) according to Claim 2, characterized in that the hafnium oxide having ferroelectric properties is doped with silicon. Biochip (13) according to Claim 2, characterized in that the hafnium oxide having ferroelectric properties is doped with zirconium. Biochip (13) according to Claim 4, characterized in that the zirconium-doped hafnium oxide with ferroelectric properties has the composition Hfo.5Zro.5O2. Biochip (13) according to claim 1, characterized in that the layer (17) has zirconium oxide with ferroelectric properties. Biochip (13) according to claim 1, characterized in that the layer (17) has aluminum scandium nitride with ferroelectric properties. Biochip (13) according to one of the preceding claims, characterized in that a thickness (d) of the layer (17) is greater than 200 nm, preferably in the range between 200 nm and 1500 nm, preferably between 200 nm and 800 nm. Biochip (13) according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier structure (23) has a substrate (29) made of a semiconductor material. Biochip (13) according to Claim 9, characterized in that the layer (17) forms part of a ferroelectric field effect transistor (39) of the biochip (13). Biochip (13) according to claim 10, wherein the layer (17) forms an insulating layer of the ferroelectric field effect transistor (39). Biochip (13) according to one of the preceding claims, wherein the biochip (13) has memristive properties; in particular wherein the layer is formed in such a way that a ferroelectric tunnel contact is formed. Biochip according to one of the preceding claims, wherein the biochip (13) is set up to couple an artificial neural network to a biological neural network. Biochip (13) according to one of the preceding claims, characterized in that the biochip (13) has a plurality of mutually separate coupling surfaces (15) of different coupling arrangements (21) of the biochip (13). Method for producing a biochip (13) with at least one coupling arrangement (21) for electrically stimulating biological material (24) or for electrically measuring the biological material (24), the method having:
- Anordnen einer Trägerstruktur (23) an und/oder in die Kopplungsanordnung (21 ); und - Arranging a support structure (23) on and / or in the coupling arrangement (21); and
- Herstellen einer Schicht (17) derart, dass deren eine Schichtfläche (19) an der Kopplungsanordnung (21 ) angeordnet ist, und deren gegenüberliegende Schichtfläche eine Kopplungsfläche (15) zur elektrischen Stimulation des biologischen Materials (24) und/oder zum elektrischen Messen an dem biologischen Material (24) bildet; dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (17) als Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften hergestellt wird. Implantat (11 ) mit einem Biochip (13) mit mindestens einer Kopplungsanordnung (21 ) zur elektrischen Stimulation von biologischem Material (24) oder zum elektrischen Messen an dem biologischen Material (24), dadurch gekennzeichnet, dass der Biochip ein Biochip (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ist. Implantat (11 ) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Implantat um ein Retina-Implantat, ein Cochlea-Implantat, ein Implantat zur Tiefenhirn-Stimulation und/oder ein Implantat zum Bereitstellen eines Brain-Machine-In- terface handelt. Implantat (11 ) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Implantat einen vom Biochip (13) getrennten Halbleiterchip (49) aufweist, wobei ein Anschluss des Halbleiterchips über eine Leiterbahn (43) mit einer an die Schichtfläche (19) angrenzenden Elektrodenschicht (27) elektrisch verbunden ist und die Leiterbahn (43) und der Biochip (13) auf einem gemeinsamen Substrat (29) angeordnet sind. In-Vitro-Anordnung (11 ) mit mindestens einem Biochip (13) und einer Elektrolytaufnahme (16) zur Aufnahme eines Elektrolyten (24), der biologisches Material aufweist, wobei die Elektrolytaufnahme zum Anordnen des Elektrolyts (24) an mindestens einer Kopplungsfläche (15) des Biochips zur elektrischen Stimulation des biologischen Materials und/oder zum elektrischen Messen an dem biologischen Material eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Biochip ein Biochip (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ist. Anordnung (11 ) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (11 ) mindestens ein biologisches Neuron und mindestens ein künstliches Neuron aufweist. - Production of a layer (17) in such a way that one layer surface (19) is arranged on the coupling arrangement (21) and the opposite layer surface has a coupling surface (15) for electrical stimulation of the biological material (24) and/or for electrical measurement the biological material (24); characterized in that the layer (17) is produced as a layer with ferroelectric properties. Implant (11) with a biochip (13) with at least one coupling arrangement (21) for electrically stimulating biological material (24) or for electrically measuring the biological material (24), characterized in that the biochip is a biochip (13). any one of claims 1 to 14. Implant (11) according to claim 16, characterized in that the implant is a retina implant, a cochlear implant, an implant for deep brain stimulation and/or an implant for providing a brain-machine interface . Implant (11) according to Claim 16 or 17, characterized in that the implant has a semiconductor chip (49) separate from the biochip (13), a connection of the semiconductor chip via a conductor track (43) to an electrode layer adjoining the layer surface (19). (27) is electrically connected and the conductor track (43) and the biochip (13) are arranged on a common substrate (29). In-vitro arrangement (11) with at least one biochip (13) and an electrolyte receptacle (16) for receiving an electrolyte (24) that contains biological material, the electrolyte receptacle for arranging the electrolyte (24) on at least one coupling surface (15 ) of the biochip for electrical stimulation of the biological material and / or for electrical measurement of the biological material is set up, characterized in that the at least one biochip is a biochip (13) according to any one of claims 1 to 14. Arrangement (11) according to claim 19, characterized in that the arrangement (11) has at least one biological neuron and at least one artificial neuron.
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