人體信息監(jiān)控是一個新興的領域，人們設想開發(fā)無線腦電圖(EEG)監(jiān)控設備來診斷癲癇病人，可穿戴的無線EEG能夠極大地改善病人的活動空間，并最終通過因特網實現家庭監(jiān)護。這樣的無線EEG系統已經有了，但如何將他們的體積縮小到病人可接受的程度還是一個不小的挑戰(zhàn)。本文介紹采用IMEC的SiC技術，它的開發(fā)重點是進一步縮小集成后的EEG系統體積以及將低功耗處理技術、無線通信技術和能量提取技術整合起來，在已有系統上增加一個帶太陽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。
無線生物電子通信系統今后將大大提高人們的生活品質。要想實現這一理想，就要開發(fā)出由小型智能傳感器節(jié)點組成的體域網(body-area networks, BAN)。傳感器節(jié)點用于收集人體的重要信息，然后將信息送給一個中心智能節(jié)點，再由這個智能節(jié)點通過無線通信方式將信息發(fā)送給基站。借助基于3-D堆疊的(System-in-a-cube,SiC)集成技術可設計實現這些傳感器節(jié)點。
用于構成體域網的小型低功耗傳感器/激勵器節(jié)點必須具備足夠的計算能力和無線通信能力，并應將天線集成在內。每一個節(jié)點的智能程度都必須能夠使其完成分配給它的任務，例如數據存儲和促進算法實現，甚至完成復雜的非線性數據分析。此外，它們還應能與穿戴在身上的其他傳感器節(jié)點或中心節(jié)點通信。而中心節(jié)點則通過諸如無線局域網或蜂窩電話網之類的標準電訊設施與外界通信。這樣一個BAN就能為個人提供服務，包括慢性病的監(jiān)督處理、醫(yī)學診斷、家庭監(jiān)護、生物測定，以及運動和健康跟蹤。
IMEC公司最近獲得了技術上的突破，開發(fā)出一個體積只有1cm3的小型三維堆疊式SiC系統。首個3-D堆疊原型中包括一個商用每秒8百萬指令的低功耗微控制器、一個2.4GHz的無線收發(fā)器、幾個晶振和其他一些必要的無源器件，還有一個由用戶設計匹配網絡的單極天線。其中，微控制器和無線收發(fā)器都采用了最先進的節(jié)能技術。而系統的高集成度是通過一種叫做“3-D堆疊”的技術，將功能不同的多層沿Z軸堆疊起來實現的。每一層通過雙列微距焊球與鄰層連接。
采用這種通用的堆疊技術就能實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線產品中，從人體信息(腦活動、肌肉活動和心跳)監(jiān)控到環(huán)境數據(溫度、壓力和濕度)監(jiān)控，最終用來構成BAN。由于其獨特的堆疊特性，這種技術甚至能夠將一個特定的傳感器集成到單獨的一層中，構成一個專用的立方傳感器模塊。
開發(fā)SiC是IMEC公司Human++計劃的一部分，預想的是將多個類似的SiC傳感器節(jié)點聯合起來構成一個BAN。Human++計劃結合了無線通信技術、封裝技術、能源提取技術和低功耗設計技術，目的是開發(fā)出能夠提升人們生活品質的器件。
能否成功實現這種BAN，有賴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(yī)學和技術上的幾個障礙。其一，如今使用的依賴電池供電的設備壽命有限，必需設法延長其使用壽命。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，使其能夠進行化學和生物學測量。最后，對醫(yī)學現象也應有一個徹底的認識。
圖1：IMEC的2010年技術展望。
豐富的經驗和專有技術使得IMEC在多個技術領域取得了新的突破，這就為應對這樣的挑戰(zhàn)創(chuàng)造了機會。半導體定標技術催生了尺寸更小功耗更低的電子設備，從而使開發(fā)功能更強大的治療和診斷器件成為可能。
隨著微系統技術，尤其是微機電系統(MEMS)技術的發(fā)展，兼具電子和機械特性的器件產生了。MEMS技術的第一個應用就是用來開發(fā)為自主醫(yī)學系統供電的取能器，例如基于熱能到電能轉換的取能器，能夠利用體熱產生微能量。這種能量的來源是源源不絕的，因此系統可以一直保持工作狀態(tài)，而且壽命幾乎無限長。但問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)來支撐未來系統的運轉。MEMS技術另一個可能的應用場合就是用于傳感器和激勵器系統，這些系統用來提供與外界以及與其周圍的混合信號電路的接口。最后，利用MEMS技術還能夠開發(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(jié)點和穿戴式中心節(jié)點間進行通信，平均功耗50μW。
由于使用了新的封裝技術，大量不同種類的復雜系統(例如流體生物傳感器、射頻收發(fā)機、微處理器和電池)得以集成到一個很小的器件中，從而使移動式無線醫(yī)療器件的穿戴更加簡便。
納米技術則使得利用小型互連器件，實現如細胞、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。
如果能夠開發(fā)出低功耗的處理器結構，又會進一步增大傳感器節(jié)點的智能程度，使傳感器自己就能進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(yī)學應用的ULP處理器結構(專用指令集處理器結構和數據存儲器結構)，如今的生物醫(yī)學應用一般要求在非優(yōu)化的處理器上每秒能夠運行2千萬到10億次操作。
最后，采用新的設計技術就能有效地對以上應用進行建模、仿真和設計。
盡管人類穿戴BAN這一夢想最早在2010年才能變成現實，但現在已經出現了一些與之相關的技術，其中最有名的就是它在生物電子學研究領域的應用。生物電子學是一個包含無限機遇的領域。生物(或生化)反應與電子信號檢測與放大相結合，就產生了新的激動人心的生物電子診斷學。與此類似，利用神經網絡和計算機芯片在微電平上的連接，也能開發(fā)出藥理傳感器，甚至設計出用于醫(yī)學和技術應用的神經電處理器。
人體信息監(jiān)控是另一個新興的領域，如開發(fā)無線腦電圖(EEG)監(jiān)控設備來診斷癲癇病人。采用可穿戴的無線EEG能夠極大地改善病人的活動自由，并最終通過因特網實現家庭監(jiān)護。這樣的無線EEG系統已經有了，但如何將他們的體積縮小到病人可接受的程度還是一個不小的挑戰(zhàn)。
采用IMEC的SiC技術就能將無線EEG系統集成到一個體積僅1 cm3的器件中。這樣，病人就能穿著十分舒適的無線EEG設備做腦電圖了。IMEC今后的開發(fā)重點是進一步縮小集成后的EEG系統體積，以及將其低功耗處理技術、無線通信技術和能量提取技術整合起來。在已有系統上增加一個帶太陽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。
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