植入式酶传感器标签系统架构研究与芯片设计

论文摘要

高血糖,糖尿病等是患者数量众多的慢性疾病之一,而传统的血糖测量方案存在测试流程长、病患痛苦多,携带不便等缺陷,不能实现对患者血糖的实时测量和预防控制。实现一个实时监控、病患痛苦少并且测量方便的酶传感器系统是亟待实现的交叉科学领域课题。无线植入式酶传感器恰好具备上述传感器系统的优点,因此逐渐成为血糖测量仪器研究的热点。一个无线植入式酶传感器必须解决无线信号在人体内传输会剧烈衰减的问题,同时还要能够尽可能的测量微弱电流以减小传感器面积进而减小对人体的影响,而在无线数据传输过程中还要实现对患者信息的隐私保护。本文提出了将植入式酶传感器与高频射频识别（RFID）标签芯片技术结合组成无线植入式酶传感器信号处理片上系统（SoC）的设计方案,针对无线植入式酶传感器在能量获取方面的难点分析了高频RFID标签数据信号在以人体作为障碍物时发射线圈和接收线圈间的耦合系数在不同相对位置和不同表皮厚度内的变化,进而得到发射系统和接收系统之间的能量转移效率,为植入式酶传感器的实现提供理论基础和优化方法。在酶传感器和标签基带之间数据传输系统方面,提出了一种高能效、高精度和具有数据加密功能的数据交换接口电路结构,规划了一个包含完整的复位,自校准功能的数据交换系统流程。设计了一款符合ISO 15693高频RFID传输协议,测量10fA-100pA的电流信号,且应用Hummingbird算法对数据进行加密的酶传感器标签芯片,完成了芯片电路的仿真和分析,并分别在SMIC 0.13μm EEPROM工艺和SMIC 0.13μm RF工艺下完成了流片设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2. 研究意义
• 1.3 国内外研究现状及发展趋势
• 1.4 论文的贡献
• 1.5 论文组织结构
• 第二章 相关工作概述
• 2.1 无线植入式酶传感器信号处理SoC参考因素
• 2.1.1 通信所占用的频率
• 2.1.2 通信系统的选择
• 2.1.3 酶传感器和通信模块的接口架构
• 2.1.4 测量的准确性以及校正过程
• 2.1.5 信息保密性
• 2.2 系统设计要点分析
• 2.3 小结
• 第三章 系统架构设计
• 3.1 系统架构分析
• 3.2 能量传输的建模
• 3.2.1 线圈电路模型
• 3.2.1.1 无源器件建模
• 3.2.1.2 耦合系数
• 3.2.2 线圈的物理模型
• 3.2.2.1 线圈自感
• 3.2.2.2 线圈寄生电容
• 3.2.2.3 串联电阻
• 3.2.2.4 并联电阻
• 3.2.2.5 品质因数
• 3.2.3 考虑所有因素后的传输效率
• 3.3 生物传感器的电学建模及噪声分析
• 3.3.1 电学模型的推导
• 3.3.1.1 非法拉第电极
• 3.3.1.2 法拉第电极
• 3.3.2 生物传感器输出信号与噪声
• 3.4 数据控制流程建模
• 3.5 系统指标规划
• 3.5.1 功耗规划
• 3.5.2 电路模块指标
• 3.6 小结
• 第四章 电路设计
• 4.1 传感器接口电路设计
• 4.1.1 读出电路设计
• 4.1.2 电流产生电路设计
• 4.1.3 ADC电路设计
• 4.2 数字控制模块设计
• 4.2.1 时序分析
• 4.2.2 系统结构
• 4.3 标签前端设计
• 4.3.1 能量获取
• 4.3.2 系统稳定性
• 4.3.3 电路结构
• 4.3.4 各个模块结构
• 4.3.4.1 整流器
• 4.3.4.2 电压参考源
• 4.3.4.3 稳压器
• 4.3.4.4 解调器
• 4.3.4.5 调制器
• 4.3.4.6 时钟提取
• 4.4 小结
• 第五章 测试与验证
• 5.1 前端系统仿真
• 5.2 传感器电路与数字控制电路联合仿真
• 5.3 芯片版图设计
• 5.3.1 电极设计方法和尺寸
• 5.3.2 后处理工艺
• 5.3.3 整块芯片版图
• 5.4 芯片测试
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢