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

L'imagerie cérébrale fonctionnelle utilisant la Spectroscopie Fonctionnelle Proche-Infrarouge (SFPI) propose un outil portatif et non invasif de surveillance de l'oxygénation du sang. SFPI est une technique de haute résolution temporelle non invasive, sûr, peu intrusive en temps réel et pour l'imagerie cérébrale à long terme. Il permet de détecter des signaux hémodynamiques à la fois rapides et neuronaux ou lents. Outre les avantages importants des systèmes SFPI, ils souffrent encore de quelques inconvénients, notamment d'une faible résolution spatiale, d'un bruit de niveau modérément élevé et d'une grande sensibilité au mouvement. Afin de surmonter les limites des systèmes actuellement disponibles de SFPI non-portables, dans cette thèse, nous en avons introduit une nouvelle de faible puissance, miniaturisée sur une puce photodétecteur frontal destinée à des systèmes de SFPI portables. Elle contient du silicium photodiode à avalanche (SiAPD), un amplificateur de transimpédance (TIA), et « Quench-Reset », circuits mis en oeuvre en utilisant les technologies CMOS standards pour fonctionner dans les deux modes : linéaire et Geiger. Ainsi, elle peut être appliquée pour les deux fNIRS : en onde continue (CW- SFPI) et pour des applications de comptage de photon unique. Plusieurs SiAPDs ont été mises en oeuvre dans de nouvelles structures et formes (rectangulaires, octogonales, double APDs, imbriquées, netted, quadratiques et hexadecagonal) en utilisant différentes techniques de prévention de la dégradation de bord prématurée. Les principales caractéristiques des SiAPDs sont validées et l'impact de chaque paramètre ainsi que les simulateurs de l'appareil (TCAD, COMSOL, etc) ont été étudiés sur la base de la simulation et de mesure des résultats. Proposées SiAPDs techniques d'exposition avec un gain de grande avalanche, tension faible ventilation et une grande efficacité de détection des photons dans plus de faibles taux de comptage sombres. Trois nouveaux produits à haut gain, bande passante (GBW) et à faible bruit TIA sont introduits basés sur le concept de gain distribué, d'amplificateur logarithmique et sur le rejet automatique du bruit pour être appliqué en mode de fonctionnement linéaire. Le TIA proposé offre une faible consommation, un gain de haute transimpédance, une bande passante ajustable et un très faible bruit d'entrée et de sortie. Le nouveau circuit mixte trempe-reset (MQC) et un MQC contrôlable (CMQC) frontaux offrent une faible puissance, une haute vitesse de comptage de photons avec un commandable de temps de hold-off et temps de réinitialiser. La première intégration sur puce de SiAPDs avec TIA et Photon circuit de comptage a été démontrée et montre une amélioration de l'efficacité de la photodétection, spécialement en ce qui concerne la sensibilité, la consommation d'énergie et le rapport signal sur bruit.