探討基于SiC集成技術(shù)的生物電信號采集方案

 人體信息監(jiān)控是一個新興的領(lǐng)域，人們設(shè)想開發(fā)無線腦電圖(EEG)監(jiān)控設(shè)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(wǎng)實(shí)現(xiàn)家庭監(jiān)護(hù)。這樣的無線EEG系統(tǒng)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不小的挑戰(zhàn)。本文介紹采用IMEC的SiC技術(shù)，它的開發(fā)重點(diǎn)是進(jìn)一步縮小集成后的EEG系統(tǒng)體積以及將低功耗處理技術(shù)、無線通信技術(shù)和能量提取技術(shù)整合起來，在已有系統(tǒng)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(gòu)成一套完全獨(dú)立的生物電信號采集方案。

　　無線生物電子通信系統(tǒng)今后將大大提高人們的生活品質(zhì)。要想實(shí)現(xiàn)這一理想，就要開發(fā)出由小型智能傳感器節(jié)點(diǎn)組成的體域網(wǎng)(body-area networks, BAN)。傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，再由這個智能節(jié)點(diǎn)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(shù)可設(shè)計實(shí)現(xiàn)這些傳感器節(jié)點(diǎn)。

　　用于構(gòu)成體域網(wǎng)的小型低功耗傳感器/激勵器節(jié)點(diǎn)必須具備足夠的計算能力和無線通信能力，并應(yīng)將天線集成在內(nèi)。每一個節(jié)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(shù)據(jù)存儲和促進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)，甚至完成復(fù)雜的非線性數(shù)據(jù)分析。此外，它們還應(yīng)能與穿戴在身上的其他傳感器節(jié)點(diǎn)或中心節(jié)點(diǎn)通信。而中心節(jié)點(diǎn)則通過諸如無線局域網(wǎng)或蜂窩電話網(wǎng)之類的標(biāo)準(zhǔn)電訊設(shè)施與外界通信。這樣一個BAN就能為個人提供服務(wù)，包括慢性病的監(jiān)督處理、醫(yī)學(xué)診斷、家庭監(jiān)護(hù)、生物測定，以及運(yùn)動和健康跟蹤。

　　IMEC公司最近獲得了技術(shù)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(tǒng)。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(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)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(jìn)的節(jié)能技術(shù)。而系統(tǒng)的高集成度是通過一種叫做“3-D堆疊”的技術(shù)，將功能不同的多層沿Z軸堆疊起來實(shí)現(xiàn)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(shù)就能實(shí)現(xiàn)任何一種模塊組合。這種低功耗3-D SiC系統(tǒng)可以用于多種無線產(chǎn)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(shù)據(jù)(溫度、壓力和濕度)監(jiān)控，最終用來構(gòu)成BAN。由于其獨(dú)特的堆疊特性，這種技術(shù)甚至能夠?qū)⒁粋€特定的傳感器集成到單獨(dú)的一層中，構(gòu)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(yù)想的是將多個類似的SiC傳感器節(jié)點(diǎn)聯(lián)合起來構(gòu)成一個BAN。Human++計劃結(jié)合了無線通信技術(shù)、封裝技術(shù)、能源提取技術(shù)和低功耗設(shè)計技術(shù)，目的是開發(fā)出能夠提升人們生活品質(zhì)的器件。

　　能否成功實(shí)現(xiàn)這種BAN，有賴于我們對現(xiàn)有器件的能力的擴(kuò)展程度。因此，首先必需掃除醫(yī)學(xué)和技術(shù)上的幾個障礙。其一，如今使用的依賴電池供電的設(shè)備壽命有限，必需設(shè)法延長其使用壽命。第二，還應(yīng)放大傳感器和激勵器之間的相互作用，以便適應(yīng)多生理參數(shù)測定之類的新應(yīng)用的需要。第三，器件應(yīng)具備一定的智能，能夠存儲、處理和傳輸數(shù)據(jù)。此外，還必需擴(kuò)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(yī)學(xué)現(xiàn)象也應(yīng)有一個徹底的認(rèn)識。

　　　圖1：IMEC的2010年技術(shù)展望。

　　豐富的經(jīng)驗和專有技術(shù)使得IMEC在多個技術(shù)領(lǐng)域取得了新的突破，這就為應(yīng)對這樣的挑戰(zhàn)創(chuàng)造了機(jī)會。半導(dǎo)體定標(biāo)技術(shù)催生了尺寸更小功耗更低的電子設(shè)備，從而使開發(fā)功能更強(qiáng)大的治療和診斷器件成為可能。

　　隨著微系統(tǒng)技術(shù)，尤其是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，兼具電子和機(jī)械特性的器件產(chǎn)生了。MEMS技術(shù)的第一個應(yīng)用就是用來開發(fā)為自主醫(yī)學(xué)系統(tǒng)供電的取能器，例如基于熱能到電能轉(zhuǎn)換的取能器，能夠利用體熱產(chǎn)生微能量。這種能量的來源是源源不絕的，因此系統(tǒng)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(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。MEMS技術(shù)另一個可能的應(yīng)用場合就是用于傳感器和激勵器系統(tǒng)，這些系統(tǒng)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(shù)還能夠開發(fā)出可用于超低功耗(ULP)射頻收發(fā)機(jī)的新元件(例如諧振器)。ULP射頻設(shè)備可用于在傳感器節(jié)點(diǎn)和穿戴式中心節(jié)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)，大量不同種類的復(fù)雜系統(tǒng)(例如流體生物傳感器、射頻收發(fā)機(jī)、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(shù)則使得利用小型互連器件，實(shí)現(xiàn)如細(xì)胞、抗體或DNA等身體的生物系統(tǒng)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)。

　　如果能夠開發(fā)出低功耗的處理器結(jié)構(gòu)，又會進(jìn)一步增大傳感器節(jié)點(diǎn)的智能程度，使傳感器自己就能進(jìn)行更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。這就要求我們設(shè)計出能夠運(yùn)行生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的ULP處理器結(jié)構(gòu)(專用指令集處理器結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)存儲器結(jié)構(gòu))，如今的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用一般要求在非優(yōu)化的處理器上每秒能夠運(yùn)行2千萬到10億次操作。

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

　　盡管人類穿戴BAN這一夢想最早在2010年才能變成現(xiàn)實(shí)，但現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)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(yīng)用。生物電子學(xué)是一個包含無限機(jī)遇的領(lǐng)域。生物(或生化)反應(yīng)與電子信號檢測與放大相結(jié)合，就產(chǎn)生了新的激動人心的生物電子診斷學(xué)。與此類似，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)芯片在微電平上的連接，也能開發(fā)出藥理傳感器，甚至設(shè)計出用于醫(yī)學(xué)和技術(shù)應(yīng)用的神經(jīng)電處理器。

　　人體信息監(jiān)控是另一個新興的領(lǐng)域，如開發(fā)無線腦電圖(EEG)監(jiān)控設(shè)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(wǎng)實(shí)現(xiàn)家庭監(jiān)護(hù)。這樣的無線EEG系統(tǒng)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不小的挑戰(zhàn)。

　　采用IMEC的SiC技術(shù)就能將無線EEG系統(tǒng)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(shè)備做腦電圖了。IMEC今后的開發(fā)重點(diǎn)是進(jìn)一步縮小集成后的EEG系統(tǒng)體積，以及將其低功耗處理技術(shù)、無線通信技術(shù)和能量提取技術(shù)整合起來。在已有系統(tǒng)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(gòu)成一套完全獨(dú)立的解決方案。