DISS. ETH NO. 21,589 Low-Noise CMOS Circuits and System Design of an Integrated Microelectrode Array with High Channel Count A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich) presented by MARCO BALLINI Laurea in Ingegneria Elettronica Università degli Studi di Firenze, Italy born on 22.07.1974 citizen of Italy accepted on the recommendation of Prof. Dr. Andreas Hierlemann Prof. Dr. Michael Vellekoop Dr. Christoph Hagleitner 2013
Abstract This thesis reports on the design of low-noise readout circuits for extracellular electrophysiological recordings and on the system integration of a complementarymetal-oxide-semiconductor (CMOS) microelectrode array (MEA) with a very large number of readout channels. MEAs provide simultaneous access to many recording sites, which is necessary to investigate the functional properties and coordinated activity of complex cellular networks. Due to the non-invasive nature of extracellular recordings, long-term experiments can be conducted on cell cultures and tissues. For these reasons, MEAs are extensively used for basic neuroscience research, pharmacological, and toxicological studies. Several advantages arise from using CMOS technology to implement MEAs. Large sensing areas with high spatial resolution can be realized, as the electrodes can be accessed and read out by means of multiplexing techniques. The integration of recording amplifiers and analog-to-digital (A/D) converters, on the same substrate of the electrodes, enable robust data transmission by reducing the parasitic effects of off-chip connections and electromagnetic interferences, which degrade signal quality. Moreover, the number of pins can be significantly reduced, since the signals can be read out by time-division multiplexing, allowing for the simultaneous recording from a very large number of electrodes, in excess of one thousand. Furthermore, by relying on CMOS technology, other important features can also be integrated on the same substrate, such as stimulation capabilities, crucial to study the response of cellular networks to controlled stimuli. The chip presented in this thesis features a large sensing area of 3.85 mm 2.10 mm, composed of 26 400 electrodes placed at a center-to-center pitch of 17.5 µm, and 1024 low-noise recording channels. The readout units provide amplification of up to 78 db with a noise level as low as 2.4 µv rms in the action potential signal band (300 Hz 10 khz). Low-noise levels in the readout circuits are, in fact, essential because of the low amplitude of the extracellular signals, which is on the order of few tens of µv. The amplified signals are digitized at 20 ks/s with 10-bit resolution by parallel single-slope ADCs. Current and voltage stimulation capabilities are provided by three 10-bit DACs and 32 buffers. An analog switch matrix is used to connect the readout and stimulation units to a selectable subset of electrodes. The low power consumption of the chip, 75 mw, obviates an overheating of the sensitive cells cultured on the chip surface. Electrophysiological recordings of neural and cardiac cells were demonstrated to validate the device functionality in a typical experimental scenario. The spontaneous activity of acute retina, cultured cortical neurons, and cardiomyocytes was recorded and analyzed. Owing to the high spatial density and low-noise characteristics, individual neurons could be identified. vii
Abstract Alternative schemes for the detection of electrophysiological signals, based on current and charge mode sensing, were also investigated. A compact front-end amplifier providing both modes was implemented and characterized. A comparison of the signal-to-noise ratio with the voltage mode was performed by using an equivalent electrical model that includes the effects of the electrode-electrolyte interface. viii
Sommario Questa tesi descrive la progettazione e lo sviluppo di circuiti elettrici a basso rumore per misurazioni in ambito elettrofisiologico di segnali extracellulari e l integrazione di un elevato numero di tali canali con un array di microelettrodi (MEA), basato su tecnologia CMOS. Gli array di microelettrodi consentono l accesso simultaneo a molti punti di misura, così da poter investigare le proprietà funzionali e l attività coordinata di complesse reti cellulari. Grazie alla non-invasività, la misura di segnali extracellulari consente esperimenti a lungo termine su tessuti e colture cellulari. Per questi motivi, i MEA trovano largo impiego nella ricerca di base in neuroscienze e in studi farmacologici e tossicologici. L utilizzo della tecnologia CMOS per lo sviluppo di MEA porta diversi vantaggi. È infatti possibile accedere agli elettrodi con tecniche di multiplazione, consentendo la realizzazione di sensori con una superficie elevata e con alta risoluzione spaziale. Inoltre, l integrazione di amplificatori e convertitori analogico/digitale (A/D) nello stesso dispositivo su cui si trovano gli elettrodi permette una trasmissione dei dati robusta, riducendo gli effetti parassiti delle connessioni esterne e delle interferenze elettromagnetiche che degradano la qualità dei segnali. L amplificazione e la conversione A/D integrata porta anche ad una significativa riduzione del numero dei pin del dispositivo, dal momento che i segnali possono essere letti con multiplazione a divisione di tempo. Ciò rende possibile la registrazione simultanea di un gran numero di elettrodi, nell ordine delle migliaia. Infine, usando la tecnologia CMOS, altre importanti funzioni possono essere altresì integrate nello stesso dispositivo, quali, ad esempio, la stimolazione elettrica, utile per studiare la risposta di una rete cellulare a stimoli controllati. Il chip presentato in questa tesi presenta una ampia superficie attiva, 3.85 mm 2.10 mm, composta da 26 400 elettrodi posti ad una distanza di 17.5 µm (da centro a centro). Nel dispositivo sono stati integrati 1024 canali per la registrazione simultanea dei segnali elettrofisiologici. Ogni canale fornisce una amplificazione fino a 78 db con un basso livello di rumore, 2.4 µv rms nella banda di frequenza dei potenziali di azione dei neuroni (300 Hz 10 khz). Nei circuiti di lettura le caratteristiche di basso rumore sono essenziali, per via della piccola ampiezza dei segnali extracellulari, intorno alle poche decine di microvolt. I segnali sono digitalizzati a 20 ks/s da convertitori A/D paralleli a singola rampa con una risoluzione di 10 bit. La possibilità di stimolare elettricamente le cellule coltivate sul dispositivo, sia in corrente che in tensione, è fornita da tre convertitori digitale/analogico a 10 bit e 32 buffer. Una matrice di interruttori analogici consente di connettere le unità di lettura e di stimolazione ad una selezione arbitraria degli elettrodi. Il basso consumo totale di potenza del chip, 75 mw, evita il surriscaldamento delle cellule coltivate sulla superficie del dispositivo. La misura di segnali elettrofisiologici da cellule nervose e cardiache è state dimostrata per validare la funzionalità del dispositivo e la sua idoneità a tipiche ix
Sommario applicazioni pratiche. L attività spontanea di retina, colture di neuroni corticali e cardiomiociti è stata acquisita ed analizzata. Grazie alla elevata risoluzione spaziale e al basso rumore elettronico, è stato possibile identificare singoli neuroni. Sono stati anche investigati schemi alternativi per la misura di segnali elettrofisiologici, basati sulla rilevazione di corrente o di carica. Un amplificatore capace di operare in entrambe le modalità è stato fabbricato e caratterizzato. Una comparazione del rapporto segnale/rumore con la modalità di misura di tensione è stata effettuata utilizzando un modello elettrico equivalente che include gli effetti dell interfaccia elettrodo-elettrolita. x