A Wireless, High-Voltage Compliant, and Energy-Efficient Visual Intracortical Microstimulator

RÉSUMÉ L’objectif général de ce projet de recherche est la conception, la mise en oeuvre et la validation d’une interface sans fil intracorticale implantable en technologie CMOS avancée pour aider les personnes ayant une déficience visuelle. Les défis majeurs de cette recherche sont de répondre à la conformité à haute tension nécessaire à travers l’interface d’électrode-tissu (IET), augmenter la flexibilité dans la microstimulation et la surveillance multicanale, minimiser le budget de puissance pour un dispositif biomédical implantable, réduire la taille de l’implant et améliorer le taux de transmission sans fil des données. Par conséquent, nous présentons dans cette thèse un système de microstimulation intracorticale multi-puce basée sur une nouvelle architecture pour la transmission des données sans fil et le transfert de l’énergie se servant de couplages inductifs et capacitifs. Une première puce, un générateur de stimuli (SG) éconergétique, et une autre qui est un amplificateur de haute impédance se connectant au réseau de microélectrodes de l’étage de sortie. Les 4 canaux de générateurs de stimuli produisent des impulsions rectangulaires, demi-sinus (DS), plateau-sinus (PS) et autres types d’impulsions de courant à haut rendement énergétique. Le SG comporte un contrôleur de faible puissance, des convertisseurs numérique-analogiques (DAC) opérant en mode courant, générateurs multi-forme d’ondes et miroirs de courants alimentés sous 1.2 et 3.3V se servant pour l’interface entre les deux technologies utilisées. Le courant de stimulation du SG varie entre 2.32 et 220μA pour chaque canal. La deuxième puce (pilote de microélectrodes (MED)), une interface entre le SG et de l’arrangement de microélectrodes (MEA), fournit quatre niveaux différents de courant avec la valeur maximale de 400μA par entrée et 100μA par canal de sortie simultanément pour 8 à 16 sites de stimulation à travers les microélectrodes, connectés soit en configuration bipolaire ou monopolaire. Cette étage de sortie est hautement configurable et capable de délivrer une tension élevée pour satisfaire les conditions de l’interface à travers l’impédance de IET par rapport aux systèmes précédemment rapportés. Les valeurs nominales de plus grandes tensions d’alimentation sont de ±10V. La sortie de tension mesurée est conformément 10V/phase (anodique ou cathodique) pour les tensions d’alimentation spécifiées. L’incrémentation de tensions d’alimentation à ±13V permet de produire un courant de stimulation de 220μA par canal de sortie permettant d’élever la tension de sortie jusqu’au 20V par phase. Cet étage de sortie regroupe un commutateur haute tension pour interfacer une matrice des miroirs de courant (3.3V /20V), un registre à décalage de 32-bits à entrée sérielle, sortie parallèle, et un circuit dédié pour bloquer des états interdits.----------ABSTRACT The general objective of this research project is the design, implementation and validation of an implantable wireless intracortical interface in advanced CMOS technology to aid the visually impaired people. The major challenges in this research are to meet the required highvoltage compliance across electrode-tissue interface (ETI), increase lexibility in multichannel microstimulation and monitoring, minimize power budget for an implantable biomedical device, reduce the implant size, and enhance the data rate in wireless transmission. Therefore, we present in this thesis a multi-chip intracortical microstimulation system based on a novel architecture for wireless data and power transmission comprising inductive and capacitive couplings. The first chip is an energy-efficient stimuli generator (SG) and the second one is a highimpedance microelectrode array driver output-stage. The 4-channel stimuli-generator produces rectangular, half-sine (HS), plateau-sine (PS), and other types of energy-efficient current pulse. The SG is featured with low-power controller, current mode source- and sinkdigital- to-analog converters (DACs), multi-waveform generators, and 1.2V/3.3V interface current mirrors. The stimulation current per channel of the SG ranges from 2.32 to 220μA per channel. The second chip (microelectrode driver (MED)), an interface between the SG and the microelectrode array (MEA), supplies four different current levels with the maximum value of 400μA per input and 100μA per output channel. These currents can be delivered simultaneously to 8 to 16 stimulation sites through microelectrodes, connected either in bipolar or monopolar configuration. This output stage is highly-configurable and able to deliver higher compliance voltage across ETI impedance compared to previously reported designs. The nominal values of largest supply voltages are ±10V. The measured output compliance voltage is 10V/phase (anodic or cathodic) for the specified supply voltages. Increment of supply voltages to ±13V allows 220μA stimulation current per output channel enhancing the output compliance voltage up to 20V per phase. This output-stage is featured with a high-voltage switch-matrix, 3.3V/20V current mirrors, an on-chip 32-bit serial-in parallel-out shift register, and the forbidden state logic building blocks. The SG and MED chips have been designed and fabricated in IBM 0.13μm CMOS and Teledyne DALSA 0.8μm 5V/20V CMOS/DMOS technologies with silicon areas occupied by them 1.75 x 1.75mm2 and 4 x 4mm2 respectively. The measured DC power budgets consumed by low-and mid-voltage microchips are 2.56 and 2.1mW consecutively

Extension of 0.18µm standard CMOS technology operating range to the microwave and millimetre-wave regime

There is an increasing interest in building millimetre-wave circuits on standard digital complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology for applications such as wireless local area networks (WLAN), automotive radar and remote sensing. This stems from the existing low cost, well-developed, high yield infrastructure for mass production. The overall aim of this thesis is to extend the operating range of 0.18um standard logic CMOS technology to millimetre-wave regime. To this end, microwave and millimetre-wave design, optimisation and modelling methodologies for active and passive devices and low noise circuit implementation are described. As part of the evaluation, new systematic and modular ways of making high performance passive and active devices such as spiral inductors, slow-wave coplanar waveguide (CPW) transmission lines, comb capacitors and NMOS transistors are proposed, designed, simulated, fabricated, modelled and analysed. Small-signal and noise de-embedding techniques are developed and verified up to 110 GHz, providing an increased accuracy in the device model, leading to a robust design at millimetre-wave frequencies. Reduced substrate losses resulting in increased quality factor are presented for optimised spiral inductor designs, featuring patterned floating shield (PFS), enabling improved matching network and a reduced chip area. Based on the proposed shielded slow-wave CPW, both the line attenuation and structure length are decreased, resulting in a more compact and simplified circuit design. An optimised transistor design, aimed at reducing the layout parasitic effects, was realised. The optimisation led to a significant improvement in the gain and noise performance of the transistor, extending its operation beyond the cut-off frequency (ft). By combining all the optimised components, low noise amplifiers (LNAs) operating at 25 GHz and 40 GHz were implemented and compared. These LNAs demonstrate state-of-the-art performance, with the 40 GHz LNA exhibiting the highest gain and lowest noise performance of any LNA reported using 0.18um CMOS technology. On the other hand, the 25 GHz LNA showed a comparable performance to other reported results in literature using several topologies implemented in CMOS technology. These findings will provide a framework for expansion to smaller CMOS technology nodes with the view of extending to sub millimetre-wave frequencies