神經(jīng)信號(hào)探測(cè)與功能電激勵(lì)用集成電路研究.pdf

1、神經(jīng)科學(xué)是當(dāng)今世界科學(xué)研究的熱門領(lǐng)域之一。蓬勃發(fā)展的信息技術(shù)為神經(jīng)科學(xué)的進(jìn)步提供了強(qiáng)大技術(shù)支持。借助于先進(jìn)的微電子制造技術(shù)和信息分析技術(shù)研究生命信息是當(dāng)今神經(jīng)科學(xué)研究的趨勢(shì)。
　　 從學(xué)科分類的角度,本論文研究?jī)?nèi)容屬于微電子學(xué)與神經(jīng)生物學(xué)的交叉研究領(lǐng)域,探求應(yīng)用微電子技術(shù)研究神經(jīng)信號(hào)的途徑。從研究角度來(lái)說(shuō),神經(jīng)信號(hào)的研究分為宏觀神經(jīng)束大規(guī)模信息的研究和微觀神經(jīng)元集群神經(jīng)電活動(dòng)研究。本文涉及所在課題組所從事的這兩方面的研究工作。<

2、br>　　 生物體是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),而神經(jīng)則是這一復(fù)雜系統(tǒng)的中樞信息控制系統(tǒng)。神經(jīng)生物學(xué)的研究將為人類深刻認(rèn)知生命信息的本質(zhì)發(fā)揮重要作用。神經(jīng)系統(tǒng)中不同神經(jīng)信號(hào)具有各自不同的生成、處理和傳遞規(guī)律,代表不同的信息,而且這些信息之間存在著密切的聯(lián)系。就此來(lái)說(shuō),神經(jīng)信息的研究是個(gè)龐大的工程。本文首先介紹了神經(jīng)生物學(xué)研究的發(fā)展概況和課題背景,然后介紹了神經(jīng)元的電學(xué)特性及神經(jīng)動(dòng)作電位在軸突內(nèi)的傳導(dǎo),神經(jīng)信號(hào)探測(cè)研究和激勵(lì)研究。
　　 本

3、文的主要目標(biāo)是采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計(jì)神經(jīng)信號(hào)探測(cè)和激勵(lì)用集成電路與模塊,完成集成電路的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試并進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證課題思想和電路性能,探索電子信息系統(tǒng)與生物體信息系統(tǒng)的接口方法。
　　 多項(xiàng)目晶圓MPW(Multi-Project Wafer)計(jì)劃是微電子產(chǎn)業(yè)中集成電路制造單位和集成電路設(shè)計(jì)單位之間的紐帶。根據(jù)課題的設(shè)計(jì)要求,通過(guò)MPW計(jì)劃聯(lián)系到的芯片制造工藝是CSMC0.5μm DPDM CMOS工藝。
　　

4、微觀神經(jīng)元電活動(dòng)的研究是采用微電子技術(shù):PCB加工技術(shù)和芯片制造技術(shù),制作間距與神經(jīng)元尺寸相當(dāng)?shù)奈㈦姌O陣列,在微電極陣列表面培養(yǎng)神經(jīng)元細(xì)胞,經(jīng)過(guò)一定的培養(yǎng)周期形成神經(jīng)元集群,在顯微鏡下觀察神經(jīng)元電活動(dòng)現(xiàn)象。本文根據(jù)CSMC0.5μm DPDMCMOS工藝設(shè)計(jì)了單片集成MEA(MEA:Micro-Electrode-Array)系統(tǒng)芯片,包括14×14微電極陣列,陣列選通開關(guān),激勵(lì)信號(hào)通道14路,探測(cè)信號(hào)通道14路。
　　 單片集

5、成MEA系統(tǒng)及微電子電路設(shè)計(jì)要求如下:
　　 (1)微電極既具有神經(jīng)信號(hào)探測(cè)功能又須具有功能電激勵(lì)功能,與微電子電路的探測(cè)通道和激勵(lì)通道相連接；
　　 (2)神經(jīng)信號(hào)探測(cè)電路,能探測(cè)50μV-10mV的神經(jīng)信號(hào),頻率范圍是0～20kHz,探測(cè)電路增益60dB;
　　 (3)激勵(lì)電路設(shè)計(jì)為電壓?jiǎn)挝辉鲆婢彌_器,輸出阻抗為歐姆量級(jí);
　　 (4)版圖設(shè)計(jì):MEA位于芯片的中央,信號(hào)探測(cè)通道和信號(hào)激勵(lì)通道在陣列外

6、圍排布,可以減小微電子電路工作時(shí),對(duì)MEA區(qū)域的電磁影響、溫度影響和噪聲干擾；
　　 (5)版圖尺寸的控制:系統(tǒng)集成占用大量芯片面積,為控制成本,版圖尺寸是非常重要的指標(biāo),單元微電子電路的版圖面積非常重要。
　　 單片集成MEA系統(tǒng)屬于全定制模擬集成電路的設(shè)計(jì)范疇,其中微電極陣列、微電子電路是系統(tǒng)核心單元。論文對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、單元電路進(jìn)行了詳細(xì)討論。設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于噪聲、功耗和版圖尺寸等關(guān)鍵電學(xué)性能參數(shù)的優(yōu)化,因此成為論文重點(diǎn)討

7、論的內(nèi)容。單片集成MEA系統(tǒng)和分立神經(jīng)元信號(hào)探測(cè)電路,采用CSMC0.5μm DPDM CMOS工藝設(shè)計(jì)完成和流片。芯片測(cè)試結(jié)果表明符合設(shè)計(jì)要求。
　　 在國(guó)家自然科學(xué)基金“半導(dǎo)體集成化芯片系統(tǒng)基礎(chǔ)研究”重大科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目“植入式中樞神經(jīng)功能重建SOC的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究”課題的支持下,課題組王志功教授提出用微電子方法實(shí)現(xiàn)中樞神經(jīng)功能再生。通過(guò)在體神經(jīng)束電信號(hào)探測(cè)、放大和對(duì)神經(jīng)束再激勵(lì),從而完成生物電到物理電再到生物電的轉(zhuǎn)換再生,以期

8、實(shí)現(xiàn)損傷神經(jīng)束功能再生的目的。本論文對(duì)中樞神經(jīng)功能重建進(jìn)行了深入的研究,考慮本課題的特殊應(yīng)用,再生系統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)要求如下:
　　 (1)系統(tǒng)響應(yīng)交流耦合設(shè)計(jì):神經(jīng)微電極耦合的生物體直流電位,會(huì)影響探測(cè)電路工作,同時(shí)神經(jīng)信號(hào)時(shí)低頻信號(hào),所以低頻拐點(diǎn)設(shè)計(jì)在1Hz左右；
　　 (2)神經(jīng)信號(hào)是非常微弱的信號(hào),在幾十微伏到幾毫伏,因此微弱低頻信號(hào)放大能力是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一；
　　 (3)面向植入式微電子器件設(shè)計(jì)的再生

9、系統(tǒng),須具有極低的功耗；
　　 本文依據(jù)此要求設(shè)計(jì)了三種專用于神經(jīng)信號(hào)再生的放大系統(tǒng),單元模塊是兩種高性能的運(yùn)算放大器,分別為低功耗低噪聲兩級(jí)運(yùn)算放大器和輸入/輸出軌到軌恒跨導(dǎo)高增益折疊運(yùn)算放大器。三種芯片都采用CSMC0.5μm DPDM CMOS工藝設(shè)計(jì)完成和流片,測(cè)試結(jié)果表明符合設(shè)計(jì)要求。為進(jìn)一步提高神經(jīng)信號(hào)再生芯片的性能,針對(duì)采用CMOS工藝設(shè)計(jì)運(yùn)放失調(diào)和噪聲性能比較突出的問(wèn)題,對(duì)采用斬波技術(shù)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。