Miniaturisiertes 3×3 LED-Array mit integrierten Glasfasern und hochflexiblem Flachbandkabel für Anwendungen in der Optogenetik

Abstract:
Der Beitrag beschreibt den Entwurf, die Fertigung und Assemblierung sowie die optische und thermische Charakterisierung eines innovativen MEMS-basierten Leuchtdioden-Arrays für optogenetische, neurowissenschaftliche Anwendungen. Das Array dient der optischen Stimulation von neuronalem Gewebe an 3×3 unterschiedlichen Positionen im Gehirn. Neun hocheffiziente Leuchtdioden (LEDs) werden in ein mikrosystemtechnisch gefertigtes Gehäuse aus Silizium (Si) integriert, das die LEDs schützt und die präzise Ausrichtung der 5 mm langen und 125 µm dicken Glasfasern gewährleistet. Die Glasfasern übertragen das von der LED emittierte Licht (Maximum bei 460 nm) in das neuronale Gewebe. Über ein hochflexibles Flachbandkabel aus Polyimid (PI) werden die LEDs mittels Treiberschaltungen angesteuert. Mit einem Volumen von weniger als 2,2 mm³ ist das System ausgelegt für chronische Anwendungen. Durch die ausschließlich über elektrische Verbindung realisierte Ansteuerung des LED-Arrays wird ein erheblicher Vorteil gegenüber einem alternativen Konzept von Glasfasen und externen Lichtquellen hinsichtlich der mechanischen Flexibilität erzielt. Die optische Charakterisierung zeigt Ausgansleistungen von bis zu 1,28 mW/mm² (30 mA Strompulsen, 10 % Tastverhältnis). Hierbei erwärmt sich das Si-Gehäuse um lediglich 2,2 K.