植入式微电子神经信道桥接SOC体内供电模块设计

摘要

脊髓损伤修复的研究已有近百年的历史。解决脊髓损伤后的中枢神经纤维再生问题，实现神经功能重建，是各国医学界普遍关注并重点投入广泛研究的重大难题。但到目前为止，医学、生物学手段的研究并未取得突破性进展。在此情况下，王志功教授、顾晓松教授和吕晓迎教授在国内外首先提出了“植入式微电子神经信道桥接SOC”的概念，尝试采用微电子的手段来达到神经信号旁路桥接和最终功能重建的目的，并进行了大量的研究与实验。该课题的工作包括电极的设计、检测和激励电路的设计、能量传输的研究、神经信号的分析和动物实验等。其中对于能量传输的研究，该系统拟采用无线经皮能量传输的方式供能，本论文的研究内容属于无线供能的一部分。本论文设计、制作了用于无线经皮能量传输的能量接收模块，配合课题组前期制作的发射模块，初步解决了植入式系统的供电问题，为将来整个系统的植入提供了可能。 本文在课题组前期工作的基础上，用印刷电路板（PCB）制作、优化了能量接收线圈，并通过实验证明了优化线圈可以提高能量接收效率。所制作的线圈能够满足6路神经信号再生电路的供电要求。 首先利用分立元件，搭建了能量接收模块和稳压电路，并通过实验验证了无线经皮供能这一供能方案的可行性。 在分立电路的基础上，进一步利用华润上华0．6μm和0．5μm CMOS工艺，在Hspice、华大九天和Cadence软件工具应用环境下，完成了两种改进的桥式整流电路和带过流保护的低压差稳压电路（LDO）的电路设计及版图设计，并成功实现了芯片制造。芯片返回后进行了测试，结果表明，整流芯片和稳压芯片能够正常工作，性能良好。之后将线圈和芯片组成体内供电模块，为进一步的实验打下了基础。此外，还对双向电荷泵电路进行了初步的探索。 最后，利用本文设计的线圈、电路及供电模块，配合课题组前期制作的经皮能量传输发射模块，利用猪皮等动物组织，进行了模拟植入情况的“包埋式”能量传输实验。实验结果表明，虽然生物组织对能量传输的效率影响较大，但是按照本文的设计，仍可满足以1．8V作为电源的电路的供电要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 人体神经系统

1.1.1 神经系统的结构和分类

1.1.2 神经元的基本结构

1.2 脊髓神经与脊髓损伤

1.3 植入式微电子神经信道桥接SOC

1.4 植入式电子器件发展历史及其研究进展

1.4.1 植入式电子器件发展历史

1.4.2 植入式电子器件研究进展

1.5 植入式电子器件供能方式

1.6 集成电路相关知识简介

1.6.1 集成电路的分类

1.6.2 集成电路的设计步骤

1.6.3 集成电路的设计方法

1.6.4 模拟集成电路设计工具简介

1.6.5 多项目晶圆模式芯片制造

1.6.6 集成电路工艺的选择

1.6.7 版图设计中应注意的问题

1.7 本论文的章节结构

参考文献

第二章 发射和接收线圈的理论分析、制作及实验

2.1 线圈设计中涉及的电磁理论

2.1.1 电场

2.1.2 磁场

2.2 发射与接收线圈的设计与制作

2.2.1 方案的选择

2.2.2 PCB平面螺旋线圈的参数

2.2.3 PCB平面螺旋线圈的制作

2.3 发射和接收线圈的能量传输实验

2.3.1 接收线圈的电学参数测试

2.3.2 发射和接收线圈的能量传输实验

参考文献

第三章 分立能量接收电路与分立稳压电路的设计与测试

3.1 分立能量接收电路的设计与测试

3.2 分立稳压电路的设计与测试

参考文献

第四章 能量接收芯片的设计与测试

4.1 整流电路的设计与测试

4.1.1 整流电路的设计

4.1.2 整流电路的仿真

4.1.3 整流电路的测试

4.2 低压著稳压电路的设计与测试

4.2.1 性能参数

4.2.2 参考电流源的设计

4.2.3 误差放大器的设计

4.2.4 带隙基准源的设计

4.2.5 调整管与取样电路的设计

4.2.6 限流保护电路的设计

4.2.7 静电放电保护电路的设计

4.2.8 低压差稳压电路的版图设计

4.2.9 低压差稳压电路的整体后仿真

4.2.10 低压差稳压电路的测试

4.3 双向电荷泵电路的设计

4.3.1 电荷泵电路设计基础

4.3.2 双向电荷泵电路的设计

4.3.3 双向电荷泵电路的仿真

4.4 整流电路与低压差稳压电路的封装与键合

4.4.1 多芯片组件技术及板上芯片封装技术

4.4.2 整流电路与低压差稳压电路的封装与键合

参考文献

第五章 发射和接收端的联合测试

5.1 发射模块和分立能量接收电路的联合测试

5.2 发射模块和能量接收芯片的联合测试

5.2.1 基础实验

5.2.2 位移特性实验

5.2.3 厚度特性实验

5.2.4 负载特性实验

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

硕士在读期间发表的论文

致谢