高性能視網(wǎng)膜修復(fù)芯片的研究.pdf

1、全球因視網(wǎng)膜色素變異(RP:retinitis pigmentosa)或老年黃斑(AMD:age-relatedmacular degeration)而致盲的人,數(shù)以百萬(wàn)計(jì)。這類患者中,盡管視網(wǎng)膜內(nèi)的光感受器完全受損,但與光感受器相連的神經(jīng)細(xì)胞存活率較高,視覺(jué)傳送的通路依然完好。研究發(fā)現(xiàn),用適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)刺激這些存活的神經(jīng)細(xì)胞,這類盲人能在一定程度上獲得視覺(jué)感知。隨著集成電路技術(shù)、微系統(tǒng)加工工藝技術(shù)、射頻無(wú)線技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)技術(shù)等的進(jìn)步,基

2、于神經(jīng)電刺激的人工視覺(jué)功能修復(fù)技術(shù)已成為當(dāng)前人工器官領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.30470469)資助下,旨在從電路層面上研究一種適用于自然光照條件的、替代盲人視網(wǎng)膜中受損光感受器的CMOS視網(wǎng)膜修復(fù)芯片。
　　 利用國(guó)際上已有的研究成果和相關(guān)文獻(xiàn),論文首先介紹了人工視覺(jué)功能修復(fù)技術(shù)的概念、分類及特點(diǎn)。從視網(wǎng)膜的多層細(xì)胞結(jié)構(gòu)及其信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程出發(fā),闡述了神經(jīng)細(xì)胞電刺激產(chǎn)生動(dòng)作電位的原理:在分析神經(jīng)電刺激視

3、覺(jué)修復(fù)技術(shù)所涉及的幾個(gè)重要因素之后,得出了開(kāi)展本論文研究的理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。從電路層面綜述了國(guó)際上在這一領(lǐng)域內(nèi)的研究現(xiàn)狀,在比較這些主流方案的優(yōu)點(diǎn)與不足之后,提出了本論文擬研制的視網(wǎng)膜修復(fù)芯片的功能要求和結(jié)構(gòu)組成。
　　 提出了一種適用于自然光照條件下的視網(wǎng)膜修復(fù)電路:光電脈沖頻率調(diào)制像元電路。每一個(gè)像元都是一個(gè)獨(dú)立的振蕩器,其輸出信號(hào)的正脈沖寬度(高電平持續(xù)時(shí)間)在其動(dòng)態(tài)工作范圍內(nèi)基本保持恒定、頻率受入射光強(qiáng)度調(diào)制并與入射光強(qiáng)度

4、成比例。對(duì)影響像元電路性能的因素做了深入的研究,對(duì)像元電路的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,較之相似視網(wǎng)膜修復(fù)電路,本文提出的的像元電路具有一系列較高的性能:動(dòng)態(tài)范圍大、脈沖寬度基本恒定、功耗低、像元面積小等優(yōu)點(diǎn)。
　　 一般采用射頻無(wú)線感應(yīng)傳輸技術(shù)為植入體內(nèi)的器件提供電源。論文利用相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)無(wú)線感應(yīng)能源傳輸技術(shù)進(jìn)行了闡述和總結(jié)。提出了一種可以片上集成的射頻電源電路,對(duì)其各組成部分:整流濾波單元、參考電壓源和單位增益緩沖器

5、等進(jìn)行了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明,輸入射頻信號(hào)的幅值在一個(gè)比較大的變化范圍內(nèi),設(shè)計(jì)的射頻電源電路都能為光電脈沖頻率調(diào)制像元陣列提供穩(wěn)定的直流電壓。
　　 結(jié)合所選的0.5μm2P3M CMOS加工工藝,進(jìn)行了視網(wǎng)膜修復(fù)芯片的版圖設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的樣片上包含了一個(gè)8×8的光電脈沖頻率調(diào)制像元陣列、5個(gè)光電二極管面積不同的測(cè)試像元及片上射頻電源電路。單個(gè)像元的尺寸約為50μm×50μm。
　　 作者在標(biāo)準(zhǔn)色溫?zé)艉妥匀还庹諚l件下,

6、分別對(duì)加工的視網(wǎng)膜修復(fù)芯片進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試包含3個(gè)方面的內(nèi)容:直流電壓驅(qū)動(dòng)下光電脈沖頻率調(diào)制像元電路的性能、射頻電源電路的性能以及射頻電源電路提供驅(qū)動(dòng)電壓下像元電路的性能。測(cè)試結(jié)果表明,射頻電源電路能為像元陣列提供穩(wěn)定的電壓和所需的驅(qū)動(dòng)電流,適用于為體內(nèi)植入器件提供電源；光電脈沖頻率調(diào)制像元電路在幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上都表現(xiàn)出了較高的性能,基本達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。整個(gè)電路設(shè)計(jì)符合視網(wǎng)膜修復(fù)芯片高密度、低功耗的發(fā)展方向,在電路層次上已經(jīng)達(dá)到了視網(wǎng)膜視