SiC集成技術在生物電信號采集設計

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(wǎng)實現(xiàn)家庭監(jiān)護。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，它的開發(fā)重點是進一步縮小集成后的EEG系統(tǒng)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(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(tǒng)今后將大大提高人們的生活品質。要想實現(xiàn)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(wǎng)(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(xiàn)這些傳感器節(jié)點。

用于構成體域網(wǎng)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(nèi)。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(shù)據(jù)存儲和促進算法實現(xiàn)，甚至完成復雜的非線性數(shù)據(jù)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(wǎng)或蜂窩電話網(wǎng)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(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，還有一個由用戶設計匹配網(wǎng)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(tǒng)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(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就能實現(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(lián)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(xiàn)這種BAN，有賴于我們對現(xiàn)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(shù)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(shù)據(jù)。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(xiàn)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(jīng)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(tǒng)技術，尤其是微機電系統(tǒng)(MEMS)技術的發(fā)展，兼具電子和機械特性的器件產(chǎn)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(tǒng)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(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(tǒng)(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(xiàn)如細胞、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。

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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)實，但現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)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(chǎn)生了新的激動人心的生物電子診斷學。與此類似，利用神經(jīng)網(wǎng)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(jīng)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(wǎng)實現(xiàn)家庭監(jiān)護。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(tǒng)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(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，也許這樣就能構成一套完全獨立的解決方案。