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基于SiC集成技术的无线生物电子通信系统
IMEC的SiC技术,它的开发重点是进一步缩小集成后的EEG系统体积以及将低功耗处理技术、
无线生物电子通信系统今后将大大提高人们的生活品质。要想实现这一理想,就要开发出由小型智能传感器节点组成的体域网(body-area networks, BAN)。传感器节点用于收集人体的重要信息,然后将信息送给一个中心智能节点,再由这个智能节点通过无线通信方式将信息发送给基站。借助基于3-D堆叠的(System-in-a-cube,SiC)集成技术可设计实现这些传感器节点。
用于构成体域网的小型低功耗传感器/激励器节点必须具备足够的计算能力和无线通信能力,并应将天线集成在内。每一个节点的智能程度都必须能够使其完成分配给它的任务,例如数据存储和促进算法实现,甚至完成复杂的非线性数据分析。此外,它们还应能与穿戴在身上的其他传感器节点或中心节点通信。而中心节点则通过诸如
IMEC公司最近获得了技术上的突破,开发出一个体积只有1cm3的小型三维堆叠式SiC系统。首个3-D堆叠原型中包括一个商用每秒8百万指令的低功耗微控制器、一个2.4GHz的无线收发器、几个晶振和其他一些必要的无源器件,还有一个由用户设计匹配网络的单极天线。其中,微控制器和无线收发器都采用了最先进的节能技术。而系统的高集成度是通过一种叫做“3-D堆叠”的技术,将功能不同的多层沿Z轴堆叠起来实现的。每一层通过双列微距焊球与邻层连接。
采用这种通用的堆叠技术就能实现任何一种模块组合。这种低功耗3-D SiC系统可以用于多种
开发SiC是IMEC公司Human++计划的一部分,预想的是将多个类似的SiC传感器节点联合起来构成一个BAN。Human++计划结合了无线通信技术、封装技术、能源提取技术和低功耗设计技术,目的是开发出能够提升人们生活品质的器件。
能否成功实现这种BAN,有赖于我们对现有器件的能力的扩展程度。因此,首先必需扫除医学和技术上的几个障碍。其一,如今使用的依赖电池供电的设备寿命有限,必需设法延长其使用寿命。第二,还应放大传感器和激励器之间的相互作用,以便适应多生理参数测定之类的新应用的需要。第三,器件应具备一定的智能,能够存储、处理和传输数据。此外,还必需扩展器件的功能,使其能够进行化学和生物学测量。最后,对医学现象也应有一个彻底的认识。
图1:IMEC的2010年技术展望。
丰富的经验和专有技术使得IMEC在多个技术领域取得了新的突破,这就为应对这样的挑战创造了机会。半导体定标技术催生了尺寸更小功耗更低的电子设备,从而使开发功能更强大的治疗和诊断器件成为可能。
随着微系统技术,尤其是微机电系统(MEMS)技术的发展,兼具电子和机械特性的器件产生了。MEMS技术的第一个应用就是用来开发为自主医学系统供电的取能器,例如基于热能到电能转换的取能器,能够利用体热产生微能量。这种能量的来源是源源不绝的,因此系统可以一直保持工作状态,而且寿命几乎无限长。但问题在于如何证明这种器件能够从人体中提取足够的能量(即至少100毫瓦)来支撑未来系统的运转。MEMS技术另一个可能的应用场合就是用于传感器和激励器系统,这些系统用来提供与外界以及与其周围的混合信号电路的接口。最后,利用MEMS技术还能够开发出可用于超低功耗(ULP)射频收发机的新元件(例如谐振器)。ULP射频设备可用于在传感器节点和穿戴式中心节点间进行通信,平均功耗50μW。
由于使用了新的封装技术,大量不同种类的复杂系统(例如流体生物传感器、射频收发机、微处理器和电池)得以集成到一个很小的器件中,从而使移动式无线医疗器件的穿戴更加简便。
纳米技术则使得利用小型互连器件,实现如细胞、抗体或DNA等身体的生物系统之间的直接相互作用成为可能。新的生物传感器和移植都可能用到这种技术。
如果能够开发出低功耗的处理器结构,又会进一步增大传感器节点的智能程度,使传感器自己就能进行更加复杂的数据处理。这就要求我们设计出能够运行生物医学应用的ULP处理器结构(专用指令集处理器结构和数据存储器结构),如今的生物医学应用一般要求在非优化的处理器上每秒能够运行2千万到10亿次操作。
最后,采用新的设计技术就能有效地对以上应用进行建模、仿真和设计。
尽管人类穿戴BAN这一梦想最早在2010年才能变成现实,但现在已经出现了一些与之相关的技术,其中最有名的就是它在生物电子学研究领域的应用。生物电子学是一个包含无限机遇的领域。生物(或生化)反应与电子信号检测与放大相结合,就产生了新的激动人心的生物电子诊断学。与此类似,利用神经网络和计算机芯片在微电平上的连接,也能开发出药理传感器,甚至设计出用于医学和技术应用的神经电处理器。
人体信息监控是另一个新兴的领域,如开发无线脑电图(EEG)监控设备来诊断癫痫病人。采用可穿戴的无线EEG能够极大地改善病人的活动自由,并最终通过因特网实现家庭监护。这样的无线EEG系统已经有了,但如何将他们的体积缩小到病人可接受的程度还是一个不小的挑战。
采用IMEC的SiC技术就能将无线EEG系统集成到一个体积仅1 cm3的器件中。这样,病人就能穿着十分舒适的无线EEG设备做脑电图了。IMEC今后的开发重点是进一步缩小集成后的EEG系统体积,以及将其低功耗处理技术、无线通信技术和能量提取技术整合起来。在已有系统上增加一个带太阳能电池和能量存储电路的额外堆叠层,也许这样就能构成一套完全独立的解决方案。
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