On-Chip Integrated Functional Near Infra-Red Spectroscopy (fNIRS) Photoreceiver for Portable Brain Imaging

RESUME L'imagerie cerebrale fonctionnelle utilisant la Spectroscopie Fonctionnelle Proche-Infrarouge (SFPI) propose un outil portatif et non invasif de surveillance de l'oxygenation du sang. SFPI est une technique de haute resolution temporelle non invasive, sur, peu intrusive en temps reel et pour l'imagerie cerebrale a long terme. Il permet de detecter des signaux hemodynamiques a la fois rapides et neuronaux ou lents. Outre les avantages importants des systemes SFPI, ils souffrent encore de quelques inconvenients, notamment d’une faible resolution spatiale, d’un bruit de niveau moderement eleve et d’une grande sensibilite au mouvement. Afin de surmonter les limites des systemes actuellement disponibles de SFPI non-portables, dans cette these, nous en avons introduit une nouvelle de faible puissance, miniaturisee sur une puce photodetecteur frontal destinee a des systemes de SFPI portables. Elle contient du silicium photodiode a avalanche (SiAPD), un amplificateur de transimpedance (TIA), et « Quench-Reset », circuits mis en oeuvre en utilisant les technologies CMOS standards pour fonctionner dans les deux modes : lineaire et Geiger. Ainsi, elle peut etre appliquee pour les deux fNIRS : en onde continue (CW- SFPI) et pour des applications de comptage de photon unique. Plusieurs SiAPDs ont ete mises en oeuvre dans de nouvelles structures et formes (rectangulaires, octogonales, double APDs, imbriquees, netted, quadratiques et hexadecagonal) en utilisant differentes techniques de prevention de la degradation de bord prematuree. Les principales caracteristiques des SiAPDs sont validees et l'impact de chaque parametre ainsi que les simulateurs de l'appareil (TCAD, COMSOL, etc) ont ete etudies sur la base de la simulation et de mesure des resultats. Proposees SiAPDs techniques d'exposition avec un gain de grande avalanche, tension faible ventilation et une grande efficacite de detection des photons dans plus de faibles taux de comptage sombres. Trois nouveaux produits a haut gain, bande passante (GBW) et a faible bruit TIA sont introduits bases sur le concept de gain distribue, d’amplificateur logarithmique et sur le rejet automatique du bruit pour etre applique en mode de fonctionnement lineaire. Le TIA propose offre une faible consommation, un gain de haute transimpedance, une bande passante ajustable et un tres faible bruit d'entree et de sortie. Le nouveau circuit mixte trempe-reset (MQC) et un MQC controlable (CMQC) frontaux offrent une faible puissance, une haute vitesse de comptage de photons avec un commandable de temps de hold-off et temps de reinitialiser. La premiere integration sur puce de SiAPDs avec TIA et Photon circuit de comptage a ete demontree et montre une amelioration de l'efficacite de la photodetection, specialement en ce qui concerne la sensibilite, la consommation d'energie et le rapport signal sur bruit. ----------ABSTRACT Optical brain imaging using functional near infra-red spectroscopy (fNIRS) offers a direct and noninvasive tool for monitoring of blood oxygenation. fNIRS is a noninvasive, safe, minimally intrusive, and high temporal-resolution technique for real-time and long-term brain imaging. It allows detecting both fast-neuronal and slow-hemodynamic signals. Besides the significant advantages of fNIRS systems, they still suffer from few drawbacks including low spatial- resolution, moderately high-level noise and high-sensitivity to movement. In order to overcome the limitations of currently available non-portable fNIRS systems, we have introduced a new low-power, miniaturized on-chip photodetector front-end intended for portable fNIRS systems. It includes silicon avalanche photodiode (SiAPD), Transimpedance amplifier (TIA), and Quench- Reset circuitry implemented using standard CMOS technologies to operate in both linear and Geiger modes. So it can be applied for both continuous-wave fNIRS (CW-fNIRS) and also single-photon counting applications. Several SiAPDs have been implemented in novel structures and shapes (Rectangular, Octagonal, Dual, Nested, Netted, Quadratic and Hexadecagonal) using different premature edge breakdown prevention techniques. The main characteristics of the SiAPDs are validated and the impact of each parameter and the device simulators (TCAD, COMSOL, etc.) have been studied based on the simulation and measurement results. Proposed techniques exhibit SiAPDs with high avalanche-gain (up to 119), low breakdown-voltage (around 12V) and high photon-detection efficiency (up to 72% in NIR region) in additional to a low dark- count rate (down to 30Hz at 1V excess bias voltage). Three new high gain-bandwidth product (GBW) and low-noise TIAs are introduced and implemented based on distributed-gain concept, logarithmic-amplification and automatic noise-rejection and have been applied in linear-mode of operation. The implemented TIAs offer a power-consumption around 0.4 mW, transimpedance gain of 169 dBΩ, and input-output current/voltage noises in fA/pV range accompanied with ability to tune the gain, bandwidth and power-consumption in a wide range. The implemented mixed quench-reset circuit (MQC) and controllable MQC (CMQC) front-ends offer a quenchtime of 10ns, a maximum power-consumption of 0.4 mW, with a controllable hold-off and resettimes. The on-chip integration of SiAPDs with TIA and photon-counting circuitries has been demonstrated showing improvement of the photodetection-efficiency, specially regarding to the sensitivity, power-consumption and signal-to-noise ratio (SNR) characteristics.