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處理器/DSP  

用SiC整合技術採集生物電子訊號

上網時間: 2005年05月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:SiC  採集  生物電子訊號  無線腦電波圖監控設備  EEG 

人體訊息監控是一個新興的領域,人們試圖開發無線腦電波圖(EEG)監控設備來診斷癲癇病人,可穿戴的無線EEG能夠極大地改善病人的活動空間,並最終透過網際網路實現家庭監護。這樣的無線EEG系統已經存在,但如何將他們的體積縮小到病人可接受的程度還是一個不小的挑戰。本文介紹採用IMEC的SiC技術,它的開發重點是進一步縮小整合後的EEG系統體積以及將低功耗處理技術、無線通訊技術和能量提取技術整合起來,在已有系統上增加一個帶太陽能電池和能量儲存電路的額外堆疊層,這樣就能構成一套完全獨立的生物電訊號採集方案。

無線生物電子通訊系統今後將大幅提高人們的生活品質。要想實現這一理想,就要開發出由小型智慧感測器組成的人體區域網路(body-area networks,BAN)。感測器用於收集人體的重要訊息,然後將訊息送給一個中心智慧節點,再由這個智慧節點透過無線通訊方式將訊息發送給基地台。借助基於3D堆疊的(System-in-a-cube,SiC)整合技術可設計實現這些感測器節點。

用於構成人體區域網路的小型低功耗感測器/激勵器節點必須具備足夠的計算能力和無線通訊能力,並應將天線整合在內。每一個節點的智慧程度都必須能夠使其完成分配給它的任務,例如數據儲存和促進演算法實現,甚至完成複雜的非線性數據分析。此外,它們還應能與穿戴在身上的其他感測器節點或中心節點通訊。而中心節點則透過諸如無線區域網或行動電話網之類的標準電訊設施與外界通訊。這樣一個BAN就能為個人提供服務,包括慢性病的監督處理、醫學診斷、家庭監護、生物測定,以及運動和健康追蹤。

IMEC最近獲得了技術上的突破,開發出一個體積只有1cm3的小型三維堆疊式SiC系統。首個3D堆疊原型中包括一個商用每秒8百萬指令的低功耗微控制器、一個2.4GHz的無線收發器、幾個晶振和其他一些必要的被動元件,還有一個由用戶設計匹配網路的單極天線。其中,微控制器和無線收發器都採用了最先進的節能技術。而系統的高整合度是透過一種叫做‘3D堆疊’的技術,將功能不同的多層沿Z軸堆疊起來實現的。每一層透過雙列微距焊球與鄰層連接。

圖1:IMEC的2010年技術展望。開發一
個完整的人體區域網路(BAN),用以收集重要的身體訊息,
將訊息傳送到中心智慧結點,
再由該結點透過無線方式與基地台通訊。

採用這種通用的堆疊技術就能實現任何一種模塊組合。這種低功耗3D SiC系統可以用於多種無線產品中,從人體訊息(腦波活動、肌肉活動和心跳)監控到環境數據(溫度、壓力和濕度)監控,最終用來構成BAN。由於其獨特的堆疊特性,這種技術甚至能夠將一個特定的感測器整合到單獨的一層中,構成一個專用的立方體感測器模塊。

開發SiC是IMEC Human++計劃的一部份,其概念是將多個類似的SiC感測器節點聯合起來構成一個BAN。Human++計劃結合了無線通訊技術、封裝技術、能源提取技術和低功耗設計技術,目的是開發出能夠提升人們生活品質的元件。

能否成功實現這種BAN,有賴於我們對現有元件的能力的擴展程度。因此,首先必需掃除醫學和技術上的幾個障礙。其一,如今使用的依賴電池供電的設備壽命有限,必需設法延長其使用壽命。第二,還應放大感測器和激勵器之間的相互作用,以便適應多生理參數測定之類的新應用的需要。第三,元件應具備一定的智慧,能夠儲存、處理和傳輸數據。此外,還必需擴展元件的功能,使其能夠進行化學和生物學測量。最後,對醫學現象也應有一個徹底的認識。

豐富的經驗和專有技術使得IMEC在多個技術領域取得了新的突破,這就為應對這樣的挑戰創造了機會。半導體微縮技術催生了尺寸更小功耗更低的電子設備,進而使開發功能更強大的治療和診斷元件成為可能。

隨著微系統技術,尤其是微機電系統(MEMS)技術的發展,兼具電子和機械特性的元件產生了。MEMS技術的第一個應用就是用來開發為自主醫學系統供電的取能器,例如基於熱能到電能轉換的取能器,能夠利用體熱產生微能量。這種能量的來源是源源不絕的,因此系統可以一直保持工作狀態,而且壽命幾乎無限長。但問題在於如何証明這種元件能夠從人體中提取足夠的能量(即至少100毫瓦)來支撐未來系統的運轉。MEMS技術另一個可能的應用領域就是用於感測器和激勵器系統,這些系統用來提供與外界以及與其周圍的混合訊號電路的介面。最後,利用MEMS技術還能夠開發出可用於超低功耗(ULP)射頻收發機的新元件(例如諧振器)。ULP射頻設備可用於在感測器節點和穿戴式中心節點間進行通訊,平均功耗50μW。

由於使用了新的封裝技術,大量不同種類的複雜系統(例如流體生物感測器、射頻收發機、微處理器和電池)得以整合到一個很小的元件中,從而使移動式無線醫療元件的穿戴更加簡便。

奈米技術則使得利用小型互連元件,實現如細胞、抗體或DNA等身體的生物系統之間的直接相互作用成為可能。新的生物感測器和移植都可能用到這種技術。

如果能夠開發出低功耗的處理器結構,又會進一步增大感測器節點的智慧程度,使感測器自己就能進行更加複雜的數據處理。這就要求我們設計出能夠執行生物醫學應用的ULP處理器結構(專用指令集處理器結構和數據記憶體結構),如今的生物醫學應用一般要求在非最佳化的處理器上每秒能夠執行2千萬到10億次作業。

最後,採用新的設計技術就能有效地對以上應用進行建模、模擬和設計。

儘管人類穿戴BAN這一夢想最早在2010年才能變成現實,但現在已經出現了一些與之相關的技術,其中最有名的就是它在生物電子學研究領域的應用。生物電子學是一個包含無限商機的領域。生物(或生化)反應與電子訊號檢測與放大相結合,就產生了新的激動人心的生物電子診斷學。與此類似,利用神經網路和電腦晶片在微電平上的連接,也能開發出藥理感測器,甚至設計出用於醫學和技術應用的神經電處理器。

人體訊息監控是另一個新興的領域,如開發無線腦電波圖(EEG)監控設備來診斷癲癇病人。採用可穿戴的無線EEG能夠極大地改善病人的活動自由,並最終透過網際網路實現家庭監護。這樣的無線EEG系統已經有了,但如何將他們的體積縮小到病人可接受的程度還是一個不小的挑戰。

採用IMEC的SiC技術就能將無線EEG系統整合到一個體積僅1cm3的元件中。這樣,病人就能穿著十分舒適的無線EEG設備做腦電波圖了。IMEC今後的開發重點是進一步縮小整合後的EEG系統體積,以及將其低功耗處理技術、無線通訊技術和能量提取技術整合起來。在已有系統上增加一個帶太陽能電池和能量儲存電路的額外堆疊層,也許這樣就能構成一套完全獨立的解決方案。

作者:Bert Gyselinckx


IMEC


Email:Bert.Gyselinckx@imec.be





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