基于SiC集成技術(shù)的生物電信號采集方案

人體信息監控是一個(gè)新興的領(lǐng)域，人們設想開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)腦電圖(EEG)監控設備來(lái)診斷癲癇病人，可穿戴的無(wú)線(xiàn)EEG能夠極大地改善病人的活動(dòng)空間，并最終通過(guò)因特網(wǎng)實(shí)現家庭監護。這樣的無(wú)線(xiàn)EEG系統已經(jīng)有了，但如何將他們的體積縮小到病人可接受的程度還是一個(gè)不小的挑戰。本文介紹采用IMEC的SiC技術(shù)，它的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)是進(jìn)一步縮小集成后的EEG系統體積以及將低功耗處理技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和能量提取技術(shù)整合起來(lái)，在已有系統上增加一個(gè)帶太陽(yáng)能電池和能量存儲電路的額外堆疊層，這樣就能構成一套完全獨立的生物電信號采集方案。

無(wú)線(xiàn)生物電子通信系統今后將大大提高人們的生活品質(zhì)。要想實(shí)現這一理想，就要開(kāi)發(fā)出由小型智能傳感器節點(diǎn)組成的體域網(wǎng)(body-area networks, BAN)。傳感器節點(diǎn)用于收集人體的重要信息，然后將信息送給一個(gè)中心智能節點(diǎn)，再由這個(gè)智能節點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式將信息發(fā)送給基站。借助基于3-D堆疊的(System-in-a-cube,SiC)集成技術(shù)可設計實(shí)現這些傳感器節點(diǎn)。

用于構成體域網(wǎng)的小型低功耗傳感器/激勵器節點(diǎn)必須具備足夠的計算能力和無(wú)線(xiàn)通信能力，并應將天線(xiàn)集成在內。每一個(gè)節點(diǎn)的智能程度都必須能夠使其完成分配給它的任務(wù)，例如數據存儲和促進(jìn)算法實(shí)現，甚至完成復雜的非線(xiàn)性數據分析。此外，它們還應能與穿戴在身上的其他傳感器節點(diǎn)或中心節點(diǎn)通信。而中心節點(diǎn)則通過(guò)諸如無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)或蜂窩電話(huà)網(wǎng)之類(lèi)的標準電訊設施與外界通信。這樣一個(gè)BAN就能為個(gè)人提供服務(wù)，包括慢性病的監督處理、醫學(xué)診斷、家庭監護、生物測定，以及運動(dòng)和健康跟蹤。

IMEC公司最近獲得了技術(shù)上的突破，開(kāi)發(fā)出一個(gè)體積只有1cm3的小型三維堆疊式SiC系統。首個(gè)3-D堆疊原型中包括一個(gè)商用每秒8百萬(wàn)指令的低功耗微控制器、一個(gè)2.4GHz的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器、幾個(gè)晶振和其他一些必要的無(wú)源器件，還有一個(gè)由用戶(hù)設計匹配網(wǎng)絡(luò )的單極天線(xiàn)。其中，微控制器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器都采用了最先進(jìn)的節能技術(shù)。而系統的高集成度是通過(guò)一種叫做“3-D堆疊”的技術(shù)，將功能不同的多層沿Z軸堆疊起來(lái)實(shí)現的。每一層通過(guò)雙列微距焊球與鄰層連接。

采用這種通用的堆疊技術(shù)就能實(shí)現任何一種模塊組合。這種低功耗3-D SiC系統可以用于多種無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品中，從人體信息(腦活動(dòng)、肌肉活動(dòng)和心跳)監控到環(huán)境數據(溫度、壓力和濕度)監控，最終用來(lái)構成BAN。由于其獨特的堆疊特性，這種技術(shù)甚至能夠將一個(gè)特定的傳感器集成到單獨的一層中，構成一個(gè)專(zhuān)用的立方傳感器模塊。

開(kāi)發(fā)SiC是IMEC公司Human++計劃的一部分，預想的是將多個(gè)類(lèi)似的SiC傳感器節點(diǎn)聯(lián)合起來(lái)構成一個(gè)BAN。Human++計劃結合了無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、封裝技術(shù)、能源提取技術(shù)和低功耗設計技術(shù)，目的是開(kāi)發(fā)出能夠提升人們生活品質(zhì)的器件。

能否成功實(shí)現這種BAN，有賴(lài)于我們對現有器件的能力的擴展程度。因此，首先必需掃除醫學(xué)和技術(shù)上的幾個(gè)障礙。其一，如今使用的依賴(lài)電池供電的設備壽命有限，必需設法延長(cháng)其使用壽命。第二，還應放大傳感器和激勵器之間的相互作用，以便適應多生理參數測定之類(lèi)的新應用的需要。第三，器件應具備一定的智能，能夠存儲、處理和傳輸數據。此外，還必需擴展器件的功能，使其能夠進(jìn)行化學(xué)和生物學(xué)測量。最后，對醫學(xué)現象也應有一個(gè)徹底的認識。

豐富的經(jīng)驗和專(zhuān)有技術(shù)使得IMEC在多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域取得了新的突破，這就為應對這樣的挑戰創(chuàng )造了機會(huì )。半導體定標技術(shù)催生了尺寸更小功耗更低的電子設備，從而使開(kāi)發(fā)功能更強大的治療和診斷器件成為可能。

隨著(zhù)微系統技術(shù)，尤其是微機電系統(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，兼具電子和機械特性的器件產(chǎn)生了。MEMS技術(shù)的第一個(gè)應用就是用來(lái)開(kāi)發(fā)為自主醫學(xué)系統供電的取能器，例如基于熱能到電能轉換的取能器，能夠利用體熱產(chǎn)生微能量。這種能量的來(lái)源是源源不絕的，因此系統可以一直保持工作狀態(tài)，而且壽命幾乎無(wú)限長(cháng)。但問(wèn)題在于如何證明這種器件能夠從人體中提取足夠的能量(即至少100毫瓦)來(lái)支撐未來(lái)系統的運轉。MEMS技術(shù)另一個(gè)可能的應用場(chǎng)合就是用于傳感器和激勵器系統，這些系統用來(lái)提供與外界以及與其周?chē)幕旌闲盘栯娐返慕涌?。最后，利用MEMS技術(shù)還能夠開(kāi)發(fā)出可用于超低功耗(ULP)射頻收發(fā)機的新元件(例如諧振器)。ULP射頻設備可用于在傳感器節點(diǎn)和穿戴式中心節點(diǎn)間進(jìn)行通信，平均功耗50μW。

由于使用了新的封裝技術(shù)，大量不同種類(lèi)的復雜系統(例如流體生物傳感器、射頻收發(fā)機、微處理器和電池)得以集成到一個(gè)很小的器件中，從而使移動(dòng)式無(wú)線(xiàn)醫療器件的穿戴更加簡(jiǎn)便。

納米技術(shù)則使得利用小型互連器件，實(shí)現如細胞、抗體或DNA等身體的生物系統之間的直接相互作用成為可能。新的生物傳感器和移植都可能用到這種技術(shù)。

如果能夠開(kāi)發(fā)出低功耗的處理器結構，又會(huì )進(jìn)一步增大傳感器節點(diǎn)的智能程度，使傳感器自己就能進(jìn)行更加復雜的數據處理。這就要求我們設計出能夠運行生物醫學(xué)應用的ULP處理器結構(專(zhuān)用指令集處理器結構和數據存儲器結構)，如今的生物醫學(xué)應用一般要求在非優(yōu)化的處理器上每秒能夠運行2千萬(wàn)到10億次操作。

最后，采用新的設計技術(shù)就能有效地對以上應用進(jìn)行建模、仿真和設計。

盡管人類(lèi)穿戴BAN這一夢(mèng)想最早在2010年才能變成現實(shí)，但現在已經(jīng)出現了一些與之相關(guān)的技術(shù)，其中最有名的就是它在生物電子學(xué)研究領(lǐng)域的應用。生物電子學(xué)是一個(gè)包含無(wú)限機遇的領(lǐng)域。生物(或生化)反應與電子信號檢測與放大相結合，就產(chǎn)生了新的激動(dòng)人心的生物電子診斷學(xué)。與此類(lèi)似，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和計算機芯片在微電平上的連接，也能開(kāi)發(fā)出藥理傳感器，甚至設計出用于醫學(xué)和技術(shù)應用的神經(jīng)電處理器。

人體信息監控是另一個(gè)新興的領(lǐng)域，如開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)腦電圖(EEG)監控設備來(lái)診斷癲癇病人。采用可穿戴的無(wú)線(xiàn)EEG能夠極大地改善病人的活動(dòng)自由，并最終通過(guò)因特網(wǎng)實(shí)現家庭監護。這樣的無(wú)線(xiàn)EEG系統已經(jīng)有了，但如何將他們的體積縮小到病人可接受的程度還是一個(gè)不小的挑戰。

采用IMEC的SiC技術(shù)就能將無(wú)線(xiàn)EEG系統集成到一個(gè)體積僅1 cm3的器件中。這樣，病人就能穿著(zhù)十分舒適的無(wú)線(xiàn)EEG設備做腦電圖了。IMEC今后的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)是進(jìn)一步縮小集成后的EEG系統體積，以及將其低功耗處理技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和能量提取技術(shù)整合起來(lái)。在已有系統上增加一個(gè)帶太陽(yáng)能電池和能量存儲電路的額外堆疊層，也許這樣就能構成一套完全獨立的解決方案。