In this thesis, I proposed neural recording and stimulation IC for in vitro neuro-research. For stimulation, I brought in magnetic stimulator into CMOS IC. It has several advantages over conventional voltage/current stimulation. In recording part, 16-channel on-chip recording sites are available and readout circuit and SAR ADC are also included in the chip. The distinguish feature of recording system is that we use passivation layer as a capacitor to detect neural signal using capacitive coupling. It leads simple post-processing without define metal electrode and reduce interfacing problem between metal and electrolyte. A 0.18um standard CMOS process is used and post processing for biocompatible passivation is done by manual process. The proposed Micro-Inductor Array(MIA) system has benefits over conventional Micro-Electrode Array(MEA) systems in several points. First of all, a magnetic stimulation is an inherently charge balanced stimulation method. In a conventional metal electrode system, if net injected charges are not zero, the concentration of pH in cell surrounding media will shift. It affects physiology of the cells, and finally drives cell to death. The second standpoint is stimulation artifact. In MEA system, metal electrodes are shared the recording and stimulation functions. This shared electrode causes the stimulation artifact which limits the signal recording right after stimulation. The stimulus by magnetic field is indirect stimulation method which does not irritate the recording path. The third point is spatial resolution of stimulus. The conventional TMS has a large coil and spatial resolution is very low. Hundreds of microns resolution which is achieved by micro-inductor array is lower than conventional MEA, but it is enough to use in implantable stimulator or other in-vitro researches. The proposed system has been tested with cultured neurons. Recording from neurons are successfully done but magnetic stimulation has not been demonstrated at this time.
신경세포는 우리의 뇌를 구성하는 최소 단위 이며, 인간이 정보를 받아들이고 처리할 수 있는 능력을 발휘 하는데 있어서의 기본 구성 요소 이다. 이러한 특성을 잘 파악하게 되면 인간의 뇌가 어떠한 원리로 정보를 처리하는가 라는 궁극적인 질문에 대답을 할 수 있을 것으로 기대 되어 현재 많은 연구가 진행되고 있다. 여러 방면의 연구 중, 신경세포에서 정보를 전달할 때 전기 신호로 전달이 이루어 진다는 점에서 이를 전기적인 방법으로 기록하고 분석하는 일이 1920 년대부터 이루어져 왔다. 기존의 마이크로 전극이나 피펫을 이용한 측정방법은 숙련된 전문가가 세포 근처에 측정 장비를 가져감으로써 신호를 측정하였는데, 시간이 오래 걸리며, 한번에 많은 신호들을 측정할 수 없다는 것이 한계점으로 지적되어 왔다.
근래 들어 MEMS 기술이 발전함에 따라 여러 전극이 포함된 MEA 에 이르기 까지 많은 발전을 해왔다. 또한 점차 발전된 반도체 기술에 힘입어 점차 전극과 신호를 처리 하는 전자장비들이 통합되는 추세를 보여서, 직접 CMOS 칩 위에 세포를 배양하고 전기적으로 자극을 주고, 신호를 측정하는 장치들이 최근 들어 각광을 받고 있다. 이들 장치의 장점으로는 신호 측정용 전자장비들 즉 증폭기와 아날로그 디지털 변환기 등이 칩에 내장됨으로써 실험과 측정을 위한 장비들이 줄어들며, 사용이 간편하다는 점을 들 수 있다. 또한 전극과 측정회로가 마이크로 단위의 CMOS 공정에서 서로 연결되기 때문에 동시에 보다 많은 전극을 측정 할 수 있게 되었다. 이러한 소형화는 세포를 배양하여 연구하는 in vitro 연구뿐만이 아닌 살아있는 동물에게 이식하여 in vivo 연구에서도 큰 두각을 나타내고 있다. 이번 연구는 기본적으로 신경세포를 자극하고, 유도된 전기신호를 검출해 내는 IC 제작이 목표이다. 기존의 연구와 차별 점은 자극 방식의 차이인데, 기존의 방식은 금속 전극을 통해 전압이나 전류를 직접 세포 주변환경에 가하여 자극을 하는 형태인데, 금속의 부식이나, 주입되는 전하의 불균형에 의한 수소이온농도의 변화와 같은 여러 문제점을 가지고 있었다.
이를 해결하기 위하여 자기장을 이용한 자극방법을 제시 하였다. 마이크로 사이즈의 CMOS 인덕터에 시변환 전류를 흘려 주면 패러데이 법칙에 의하여 유도전류가 생성되게 되고 신경세포를 자극하게 된다. 자극된 신경세포는 신호를 발생시키며 이는 주변의 캐패시턴스 전극을 통해 검출되어 CMOS 칩 내부에서 처리 되게 된다. 제안된 장치는 CMOS 회로 제작 이후의 공정을 간단하게 구현할 수 있으며, 배양된 세포는 항상 친화적인 물질과만 접촉하게 되므로 좀 더 안전하고 오랜 시간 자극과 신호 검출을 할 수 있을 것으로 기대된다.
검출회로 부분은 총 16개의 채널을 가지고 있으며, 16개의 저잡음 증폭기와 필터, 4개의 가변 증폭기와 1개의 SAR ADC가 포함되어 있다. 자극회로 부분은 8개의 마이크로 인덕터와 이를 구동하는 LC VCO 와 Ring VCO로 구성되어 있다. 칩은 180nm CMOS 공정으로 제작되었고, 제작 후 세포에게 안전한 물질로 칩 표면을 덮는 공정을 추가로 수행 하였다. 측정된 회로는 최고 72dB 의 증폭율을 가지며 ADC의 경우 5MHz 샘플링 에서 0.8pJ/conversion-step의 성능을 보여 주었다. 실제로 신경세포를 칩 위에 배양하여 전기신호를 얻는데 성공하였으며, 아쉽게도 자기장을 이용한 자극은 현재까지 성공하지 못했다.
