外层型CMOS人工视网膜芯片的研究

论文摘要

目前,基于神经电刺激的人工视觉功能修复技术已成为人工器官领域的研究热点之一。根据刺激位置的不同,人工视觉功能修复可分为视皮层修复（Cortical Prosthesis）、视神经修复（Optic Nerve Prosthesis）和视网膜修复（Retinal Prosthesis）三大类。相比较而言,视皮层修复和视神经修复两种方式需将刺激电极阵列植入大脑皮层或视神经区域,手术复杂性和风险性较大。视网膜修复技术自从Humayun等人首次提出以来,已经历了十多年的发展,并且研究方案主要分为两种类型:表层型视网膜修复（Epiretinal Prosthesis）和外层型视网膜修复（Subretinal Prosthesis）。外层型视网膜修复技术将刺激器件植入在视网膜神经感觉上皮和色素上皮层之间的区域（Subretinal Place）,首先刺激的是外层视网膜表面,因此可以利用更多的受损视网膜中存活的细胞对视觉信号进行处理,并使电流刺激阈值降低,本质上具有突出的优势。国外对各种人工视觉功能修复技术都进行了很深入的研究,特别是美国的第二视觉公司（Second Sight）和光学仿生学公司（Optobionics）已经分别将自己研究的人工视网膜芯片植入盲患眼中进行临床实验。相对于我国庞大的盲患人群,国内人工视网膜技术的研究起步较晚。针对目前外层型视网膜修复技术需要在眼外提供很强照明的不足,本文在自然科学基金项目（No.30470469）资助下,在电路层次上进行适用于自然光照条件的外层型CMOS人工视网膜微芯片的研究。论文首先介绍了人工视觉功能修复技术的概念、分类及特点,综述了国际上在这一领域的研究现状,并分析了人工视觉修复技术的发展方向。总结和分析了进行外层型CMOS人工视网膜微芯片设计的理论和实验依据,包括神经细胞电刺激产生动作电位的原理、视网膜细胞电刺激的有效性、安全性、刺激阈值、刺激电极材料以及电极-视网膜界面的电性能等。针对目前外层型人工视网膜修复技术的不足,提出了一种在自然光照条件下用于外层型视网膜电刺激的光控CMOS振荡像元结构。新方案中光电探测器工作在积分工作模式,利用光电流控制像元上电容的放电过程,实现像元输出脉冲频率随外界光强准线性变化。电路仿真结果表明,与国外振荡像元类方案相比,新方案具有像元结构简单和输出性能好的优点。光电探测器是光控CMOS振荡像元的信号源头,论文分析了目前与CMOS工艺兼容的光电探测器类型,并进行了性能比较。从半导体中载流子平衡方程出发,详细阐述了光电二极管感应光电流的过程及电流的计算模型,建立了光电二极管的PSPICE仿真模型。利用所建模型,对光控CMOS振荡像元电路进行了优化设

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 外层视网膜疾病及人工视网膜概念
• 1.3 人工视网膜技术的分类与比较
• 1.4 国内外研究现状及分析
• 1.5 本文的研究目的和研究内容
• 1.6 本章小结
• 2 外层型CMOS 人工视网膜微芯片设计概述
• 2.1 引言
• 2.2 视网膜中的信号转换与传递
• 2.3 理论与实验依据
• 2.4 外层型CMOS 人工视网膜微芯片概述
• 2.5 本章小结
• 3 光控CMOS 振荡像元电路设计
• 3.1 引言
• 3.2 已有方案分析
• 3.3 新像元电路结构及分析
• 3.4 仿真结果
• 3.5 本章小结
• 4 光电探测单元及建模
• 4.1 引言
• 4.2 硅的光电效应
• 4.3 CMOS 工艺兼容的光电探测器
• 4.4 光电二极管PSPICE 模型
• 4.5 本章小结
• 5 光控CMOS 振荡像元优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 新方案存在的不足及分析
• 5.3 改进后的像元电路结构
• 5.4 对电容的考虑
• 5.5 更精确的模拟结果
• 5.6 本章小结
• 6 外层型CMOS 人工视网膜微芯片版图设计
• 6.1 引言
• 6.2 版图设计概述
• 6.3 工艺介绍
• 6.4 版图设计
• 6.5 版图后仿真
• 6.6 优化
• 6.7 版图的导出
• 6.8 本章小结
• 7 芯片加工与测试
• 7.1 引言
• 7.2 芯片加工
• 7.3 芯片测试
• 7.4 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 论文工作的主要内容
• 8.2 论文工作的主要创新点
• 8.3 对进一步研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书