神經(jīng)信號探測與功能電激勵用集成電路研究.pdf

1、神經(jīng)科學是當今世界科學研究的熱門領(lǐng)域之一。蓬勃發(fā)展的信息技術(shù)為神經(jīng)科學的進步提供了強大技術(shù)支持。借助于先進的微電子制造技術(shù)和信息分析技術(shù)研究生命信息是當今神經(jīng)科學研究的趨勢。
　　 從學科分類的角度,本論文研究內(nèi)容屬于微電子學與神經(jīng)生物學的交叉研究領(lǐng)域,探求應用微電子技術(shù)研究神經(jīng)信號的途徑。從研究角度來說,神經(jīng)信號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>　　 生物體是一個復雜的系統(tǒng),而神經(jīng)則是這一復雜系統(tǒng)的中樞信息控制系統(tǒng)。神經(jīng)生物學的研究將為人類深刻認知生命信息的本質(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。就此來說,神經(jīng)信息的研究是個龐大的工程。本文首先介紹了神經(jīng)生物學研究的發(fā)展概況和課題背景,然后介紹了神經(jīng)元的電學特性及神經(jīng)動作電位在軸突內(nèi)的傳導,神經(jīng)信號探測研究和激勵研究。
　　 本

3、文的主要目標是采用標準CMOS工藝設計神經(jīng)信號探測和激勵用集成電路與模塊,完成集成電路的設計、制造和測試并進行動物實驗驗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。
　　 多項目晶圓MPW(Multi-Project Wafer)計劃是微電子產(chǎn)業(yè)中集成電路制造單位和集成電路設計單位之間的紐帶。根據(jù)課題的設計要求,通過MPW計劃聯(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?shù)奈㈦姌O陣列,在微電極陣列表面培養(yǎng)神經(jīng)元細胞,經(jīng)過一定的培養(yǎng)周期形成神經(jīng)元集群,在顯微鏡下觀察神經(jīng)元電活動現(xiàn)象。本文根據(jù)CSMC0.5μm DPDMCMOS工藝設計了單片集成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),激勵信號通道14路,探測信號通道14路。
　　 單片集

5、成MEA系統(tǒng)及微電子電路設計要求如下:
　　 (1)微電極既具有神經(jīng)信號探測功能又須具有功能電激勵功能,與微電子電路的探測通道和激勵通道相連接；
　　 (2)神經(jīng)信號探測電路,能探測50μV-10mV的神經(jīng)信號,頻率范圍是0～20kHz,探測電路增益60dB;
　　 (3)激勵電路設計為電壓單位增益緩沖器,輸出阻抗為歐姆量級;
　　 (4)版圖設計:MEA位于芯片的中央,信號探測通道和信號激勵通道在陣列外

6、圍排布,可以減小微電子電路工作時,對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,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計范疇,其中微電極陣列、微電子電路是系統(tǒng)核心單元。論文對系統(tǒng)設計、單元電路進行了詳細討論。設計難點在于噪聲、功耗和版圖尺寸等關(guān)鍵電學性能參數(shù)的優(yōu)化,因此成為論文重點討

7、論的內(nèi)容。單片集成MEA系統(tǒng)和分立神經(jīng)元信號探測電路,采用CSMC0.5μm DPDM CMOS工藝設計完成和流片。芯片測試結(jié)果表明符合設計要求。
　　 在國家自然科學基金“半導體集成化芯片系統(tǒng)基礎(chǔ)研究”重大科學計劃項目“植入式中樞神經(jīng)功能重建SOC的設計與實驗研究”課題的支持下,課題組王志功教授提出用微電子方法實現(xiàn)中樞神經(jīng)功能再生。通過在體神經(jīng)束電信號探測、放大和對神經(jīng)束再激勵,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、實現(xiàn)損傷神經(jīng)束功能再生的目的。本論文對中樞神經(jīng)功能重建進行了深入的研究,考慮本課題的特殊應用,再生系統(tǒng)芯片的設計要求如下:
　　 (1)系統(tǒng)響應交流耦合設計:神經(jīng)微電極耦合的生物體直流電位,會影響探測電路工作,同時神經(jīng)信號時低頻信號,所以低頻拐點設計在1Hz左右；
　　 (2)神經(jīng)信號是非常微弱的信號,在幾十微伏到幾毫伏,因此微弱低頻信號放大能力是本系統(tǒng)設計的關(guān)鍵之一；
　　 (3)面向植入式微電子器件設計的再生

9、系統(tǒng),須具有極低的功耗；
　　 本文依據(jù)此要求設計了三種專用于神經(jīng)信號再生的放大系統(tǒng),單元模塊是兩種高性能的運算放大器,分別為低功耗低噪聲兩級運算放大器和輸入/輸出軌到軌恒跨導高增益折疊運算放大器。三種芯片都采用CSMC0.5μm DPDM CMOS工藝設計完成和流片,測試結(jié)果表明符合設計要求。為進一步提高神經(jīng)信號再生芯片的性能,針對采用CMOS工藝設計運放失調(diào)和噪聲性能比較突出的問題,對采用斬波技術(shù)運算放大器的設計進行了研究。