基于CMOS集成电路的BCI微传感系统

论文摘要

脑-机接口是在人脑与计算机或其他电子设备之间建立的一种不依靠大脑输入、输出通道（如外周神经和肌肉组织等）的通信与控制系统,是涉及神经科学、微机械学、工程学、数学、计算机科学以及临床康复等领域的一种新兴多学科交叉技术,近年来已成为国内外研究热点。脑-机接口技术不仅为人与计算机等设备间提供了一种新型的交互方式,更为人类对自身的认识与研究提供了一种有效的手段。神经微传感器（微电极）是脑-机接口系统中的关键部件,是神经生理学解码人脑思维过程的必要工具。基于MEMS和CMOS技术的最新发展成果,本文研究了具有自主知识产权的多维双向可植入式神经微电极的关键技术。基于该电极的微传感系统可以记录多重神经元运动,并可通过电刺激的手段探索包括小儿麻痹症、帕金森综合症、耳聋和癫痫病等诸多顽疾的治疗方法。为了实现电极多维、双向、可植入式及其微电路设计等关键技术的目标,分析了神经信号的特征,并建立了电极与神经组织间相互作用的数学模型;在充分考虑机械生物相容性的基础上,确定了电极的物理参数（探针长、宽、厚、测点间距）及结构制造方法等;根据多点测量、双向通信、前端信号调理等技术要求,进行了基于单电源技术的前置信号采集及调理ASIC芯片设计;最后,为测试整个微传感器系统功能,进行了动物实验并对结果进行分析。另外,本文着重介绍了前置信号采集及调理ASIC芯片的设计及制造方法。基于Charted CMOS 0.35um工艺模型和标准全定制式集成电路设计流程,针对神经信号提取对前置信号采集电路的增益、带宽和信噪比等方面的要求,设计了运算放大器、高通滤波器和偏置电路等模拟集成电路;针对32路多测点采集的需要及可植入式的要求,设计了多路选择器、模式选择、分时选择器和串并转换器等数字集成电路。所有模块的设计均通过原理图设计HSPICE仿真验证,版图设计DRC以及LVS工艺验证。经过加工后的芯片采用Bonding Machine压焊封装,设计专用测试电路板并结合微运动分析仪进行了电学测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 BCI 用脑电信号检测系统
• 1.2.1 无创型BCI
• 1.2.2 有创型BCI
• 1.3 课题意义
• 1.4 主要内容
• 第二章 神经信号与神经电记录
• 2.1 神经信号
• 2.1.1 神经元膜的电学特性
• 2.1.2 静息电位
• 2.1.3 动作电位
• 2.2 神经电记录方式
• 2.2.1 细胞内记录
• 2.2.2 细胞外记录
• 2.3 测量模型的建立
• 第三章 微传感器系统设计
• 3.1 整体系统
• 3.2 MEMS 微电极阵列设计介绍
• 3.2.1 单片二维电极结构设计
• 3.2.2 多维结构组装
• 3.3 前置信号采集及调理ASIC 芯片
• 第四章 前置ASIC 芯片的模拟集成电路设计
• 4.1 模拟集成电路
• 4.1.1 MOSFET 的结构
• 4.1.2 MOSFET 的电学模型
• 4.2 运算放大器设计
• 4.2.1 设计构思
• 4.2.2 设计指标
• 4.2.3 参数设计
• 4.2.4 仿真及参数调节
• 4.3 滤波电路设计
• 4.4 偏置电路设计
• 第五章 前置ASIC 芯片的数字电路设计
• 5.1 数字集成电路
• 5.2 32:1 多路选择器
• 5.3 模式选择器
• 5.4 32:4 多路选择器
• 5.5 串入并出移位寄存器
• 第六章 前置ASIC 芯片的制造及实验
• 6.1 版图设计
• 6.2 加工制造
• 6.3 芯片测试
• 6.4 动物实验
• 总结及展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢