Design of a high density CMOS array for the bidirectional coupling with electrogenic cells [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Mathias Schindler

Mathias Schindler

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 13
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

Design of a High Density CMOS
Array for the Bidirectional Coupling
With Electrogenic Cells
Von der Fakult¨at fu¨r Elektrotechnik und Informationstechnik
der Rheinisch-Westf¨alischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der
Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Ingenieur
Mathias Schindler
aus Berlin-Friedrichshain
Berichter: Universitatsprofessor Dr.rer.nat A. Offenhausser¨ ¨
Universita¨tsprofessor Dr.rer.nat W. Mokwa
Tag der mundlichen Prufung: 18.1.2008¨ ¨
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfu¨gbar.Boy: Do not try and bend the spoon. That’s impossible. Instead...
only try to realize the truth.
Neo: What truth?
Boy: There is no spoon.
Neo: There is no spoon?
Boy: Then you’ll see, that it is not the spoon that bends, it is only
yourself.
From the movie, The MatrixDesign of a High Density CMOS Array
for the Bidirectional Coupling
With Electrogenic Cells
Mathias SchindlerBerichte des Forschungszentrums Jülich ; 4264
ISSN 0944-2952
Institute for Bio- and Nanosystems
Bioelectronics (IBN-2) Jül-4264
D 82 (Diss., RWTH Aachen, 2008)
The complete volume is freely available on the Internet on the Jülicher Open Access Server
(JUWEL) at http://www.fz-juelich.de/zb/juwel
Zu beziehen durch: Forschungszentrum Jülich GmbH · Zentralbibliothek, Verlag
D-52425 Jülich · Bundesrepublik Deutschland
02461 61-5220 · Telefax: 02461 61-6103 · e-mail: [e-mail]
Inthiswork,ahighdensityCMOSchipforthebidirectionalcouplingwithelectrogeniccells
was designed, fabricated, post-processed and successfully tested using a newly developed
measurement and control system. In addition, a setup for the single cell stimulation with
multi electrode arrays was developed and successfully tested with cortical rat neurons.
The CMOS chip consisted of a 64x64 pixel array with on-chip amplifier and output
buffer circuits. A calibration mechanism minimised the output signal mismatch between
the different pixels that either worked in the stimulation or in the recording mode. The
chip provided an overall signal gain of 80mS which was linear for the expected input signal
range of ±5mV. The pixels had a pitch 12.5μm and the entire array could be read out
with a frame rate of 3kHz.
The design and simulation of the chip was performed at the transistor level for a 0.5μm
CMOS process with three metal layers using standard industry tools. In every pixel a
floating-gate field-effect transistor served as sensor. It was connected with the electrolyte
through a capacitor. The bottom electrode of latter was formed in the third metal layer
with a 4.1x4.1μm opening in the final silicon nitride passivation above it. The dielectric
was deposited in a post-process.
Several deposition methods and material systems were tested for the post-process with
a 50nm atomic layer deposited Al O /HfO multi-layer system having the best proper-2 3 2
2ties. The electrochemical IV curve showed a leakage of around 35nA/cm which did not
increase significantly until 6V and the dielectric constant of 11.5 was sufficient for first
experiments.After the deposition the chips were bonded and encapsulated inside a silicon
gluepackage. Thiswasnecessarytoadaptthechiptoanoperationinaliquidenvironment.
A versatile measurement and control system was developed for the chip. Its central con-
trol unit was formed by a high speed sequencer combined with an advanced multitasking-
capable microcontroller. The measurement parameters were sent to the controllers using a
software bundle and then the system performed the required experiment autonomously.
Adetailedanalysisofthevariousteststructures, thesensorarrayaswellastheamplifier
and buffer circuits was performed. Pixels in the sensor array were selected, calibrated and
read out successfully. Also, the measured data agreed well with the circuit simulations
performed during the design process. Finally, it was shown that the Al O /HfO multi-2 3 2
layer was biocompatible and that neural cells grew nicely on the structured surface of the
chip.Zusammenfassung
In dieser Dissertation wurde ein hochintegrierter CMOS Chip fur die bidirektionale Kopp-¨
lung mit elektrisch aktiven Zellen entwickelt, hergestellt, nachprozessiert und erfolgreich
mit einem neu entwickelten Messaufbau getestet. Des Weiteren wurde ein Aufbau fu¨r die
Stimulation von einzelnen Zellen mittels Mikroelektrodenarrays entwickelt und erfolgreich
mit kortikalen Rattenneuronen getestet.
Auf dem Chip befanden sich eine 64x64 Pixelmatrix, Verstarker und Ausgangstreiber.¨
Durch einen Kalibriermechanismus wurde die Fehlanpassung zwischen den Ausgangssigna-
len der Pixel minimiert. Die Pixel konnten entweder im Aufnahme- oder im Stimulations-
modus betrieben werden, wobei fur den erwarten Eingangsspannungsbereich von ±5mV¨
die Verstarkerschaltung eine konstante Verstarkung von 80mS lieferte. Die Pixel hatten¨ ¨
einen Abstand von 12,5μm und die Bildrate fur die gesamte Matrix lag bei 3kHz.¨
Der Chip wurde auf der Transistorebene mit industriellen Standardwerkzeugen fu¨r einen
0,5μm CMOS Prozess mit drei Metallebenen entwickelt und simuliert. In jedem Pixel
diente ein“floating gate”Feldeffekttransistor als Sensor, der uber einen Kondensator mit¨
dem Elektrolyten verbunden war. Letzterer bestand aus einer Elektrode in der dritten
¨Aluminiumschicht und einer 4,1x4,1μm großen Offnung in der obersten Passivierung aus
Siliziumnitrid. Das Dielektrikum wurde in einem Nachprozessierungsschritt auf dem Chip
abgeschieden
Mehrere Abscheidetechniken und Materialsysteme wurden als mo¨gliche Kandidaten fu¨r
dieNachprozessierunguntersucht.Ambestengeeigneterwiessichein50nmdu¨nnes,mittels
“atomic layer deposition” abgeschiedenes Al O /HfO Mehrschichtensystem. Die elektro-2 3 2
2chemische Strom-Spannungskennlinie zeigte einen Leckstrom von etwa 35nA/cm , der bis
zu einer Spannung von 6V konstant blieb. Die gemessene Dielektrizitatszahl von 11,5 war¨
fu¨r erste Experimente hinreichend. Nach der Beschichtung wurden die Chips gebondet und
mit einem Silikonkleber verkapselt.
Ein sehr flexibles Mess- und Steuersystem wurde fur den Chip entwickelt. Die zentra-¨
le Steuereinheit bestand aus einer schnellen Ablaufsteuerung und einem hochentwickelten
“multitasking“ fa¨higem Mikrokontroller. Nachdem die Messparameter mittels eines Softwa-
repakets aufbereitet und an die Steuerung geschickt worden waren, fu¨hrte das System die
Messung selbststandig aus.¨
Die unterschiedlichen Testschaltungen, die Pixelmatrix sowie die Versta¨rker und Aus-gangstreiber wurden im Detail charakterisiert. Einzelne Pixel konnten erfolgreich in Flus-¨
sigkeitausgewa¨hlt,kalibriertundausgelesenwerden.DieMessungenstimmtengutmitden
Simulationen u¨berein. Es konnte des Weiteren gezeigt werden, dass das Al O /HfO Mehr-2 3 2
schichtensystembiokompatibelwarunddasNervenzellenaufderstrukturiertenOber߬ache
des Chips wachsen konnten.Contents
1 Introduction 7
2 Fundamentals 11
2.1 The Neural Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 Cell Membrane and Resting Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.2 Action Potential and Synaptical Transmission . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Basics of Integrated Circuit Design and Fabrication . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 The MOS Transistor and its Models . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.2 Digital CMOS Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.3 CMOS Fabrication and Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3 Interfacing Solid Devices with Cells in a Liquid Environment . . . . . . . . 30
2.3.1 The Solid/Liquid Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.2 Intracellular Recording and Stimulation. . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.3 Extracellular Recording and Stimulation . . . . . . . . . . . . . . . 33
3 Design and Fabrication of the 64x64 pixel CMOS array 39
3.1 The AMIS0.5 Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2 The Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.1 Pixel Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.2 Amplifier and Output Buffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.3 The Digital Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.4 Test Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.5 Final layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3 The Post-Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3.1 High-k Thin Film Deposition and Characterisation . . . . . . . . . 60
3.3.2 Bonding and Chip Encapsulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4 Experimental Setups 73
4.1 MEA Stimulation Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2 Test Board for the 64x64 pixel CMOS array . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3 Measurement and Control System for the 64x64 pixel CMOS array . . . . 776 Contents
5 Device Characterisation 83
5.1 Single Cell Stimulation with MEAs . . . . . . . . . . . .