基於SiC集成（chéng）技術的（de）無線生物電子通信係統

人體信息（xī）監控是一個新興的領域，人們設想開發無線腦電圖(EEG)監（jiān）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（bìng）人的活動空間，並最終通過（guò）因特網實現家庭監護。這樣的無線EEG係統已經有了，但如何將他（tā）們的體積縮小到病人可接受的程度還是一個不（bú）小的挑戰（zhàn）。

    IMEC的SiC技術，它的開發重點是進一步縮（suō）小集成後（hòu）的EEG係統體積以及將低功耗處理技術、無線通信（xìn）技術（shù）和能量提取技術整合起來，在已有係（xì）統上增加一個帶太陽能電池和能量存儲電路的（de）額外堆疊層，這樣就能構成一套完（wán）全獨立的生物電信（xìn）號采集方案。

　　無線生物電子通信係統今後將大大提高人們的生活品質。要想實現這（zhè）一理想，就（jiù）要開發出由小型智能傳感器節點組成的體域網(body-area networks, BAN)。傳感器節點用於收集人體的重要信息，然後將信息送（sòng）給一個中心智能（néng）節點，再由這（zhè）個智能節點通過無線通信（xìn）方式將信息發送給基站。借助基於3-D堆疊（dié）的(System-in-a-cube,SiC)集成技術（shù）可設計實現這些傳（chuán）感器節（jiē）點。

　　用（yòng）於構成體域（yù）網的小型低功（gōng）耗傳（chuán）感器/激勵器節點必須具備（bèi）足夠的（de）計（jì）算（suàn）能力和無線通信（xìn）能力，並應將天線集成在內（nèi）。每一個節點的智能程度都必須能夠使其完（wán）成分（fèn）配給它的任務，例如數據（jù）存儲和促進算法實現，甚至完成複雜的非線性數據分析（xī）。此外，它們還應能（néng）與穿戴在身上的其他傳感器節點或中心節點通信（xìn）。而中心節點則通過諸如無線局域網或（huò）蜂窩電（diàn）話網之類的標準電訊設施與外界通信。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（hù）、生物測定，以及運動和健康跟蹤。

　　IMEC公司最近獲得了技術上的突破，開發出一個體積隻有1cm3的（de）小型三維堆疊式SiC係統。首個3-D堆疊原（yuán）型中包括（kuò）一個商用每秒8百萬（wàn）指令的低功耗微（wēi）控製器、一個2.4GHz的無線收發器、幾個晶振和其（qí）他一些必要的無源器（qì）件，還有一個由用戶設計匹配網絡的單極天線。其中，微（wēi）控製器和無線收發器都采用（yòng）了最（zuì）先進的節能（néng）技術。而係統的高集成度是通過一種叫做“3-D堆（duī）疊”的技術，將功能不同（tóng）的多層沿Z軸堆疊起來實現的。每一（yī）層通過雙列（liè）微距焊球與鄰層連接。

　　采用這種通用的堆疊技（jì）術就能（néng）實現任何一種模塊組合。這種低功耗3-D SiC係統可（kě）以用於多種（zhǒng）無線（xiàn）產品中，從人體信息(腦活動、肌肉活（huó）動和心跳)監控到環境數據(溫度、壓力（lì）和濕度)監控（kòng），最終用來構成BAN。由（yóu）於其獨特的堆疊特性，這種技術甚至能夠將一個特（tè）定的傳感器集成到單獨的一層中，構成一個（gè）專用的立方傳感器模塊。

　　開（kāi）發SiC是IMEC公司Human++計劃的一部分，預想的是將多個類似的SiC傳感器節（jiē）點聯合起來構成（chéng）一個BAN。Human++計劃結合了無線（xiàn）通信技術、封裝（zhuāng）技術、能（néng）源提取技術和低功耗設計技術，目的是（shì）開（kāi）發出能夠提升人們生活品質的（de）器件。

　　能否成功實現這種BAN，有賴於菠萝蜜视频在线观看對現有器件的能力的擴展程（chéng）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（yī）賴電池（chí）供電的設備壽命有限，必需設法延（yán）長其使用壽命。第二，還應放大傳感器和激勵器之（zhī）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（sān），器件（jiàn）應具備（bèi）一定的智能，能夠存儲、處理和（hé）傳輸數據。此外，還必需擴展器件的功能，使其（qí）能（néng）夠進行（háng）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（shí）。

圖1：IMEC的2010年技術展望。

　　豐富的經驗和專有技術使得IMEC在多個技術領域（yù）取得了新（xīn）的突破，這就為應對這樣的挑戰創造（zào）了機會。半導體（tǐ）定標技術催生了尺寸更小功（gōng）耗更低（dī）的（de）電子設備，從（cóng）而使開發功能更強大的治療和診斷器件成為可（kě）能。

　　隨著（zhe）微係統技術，尤其是微機電係統(MEMS)技術的發（fā）展，兼具電子和機（jī）械特性的器件產生了。MEMS技術的第（dì）一個應用就是用來開發為自主醫學係統供電的取能器，例如基於熱能到電能轉換的取能器，能夠利用（yòng）體熱產生微能量。這種能量的（de）來源是源源不絕的，因此係統可以一直（zhí）保持工作狀態，而且壽命幾（jǐ）乎無限長（zhǎng）。但問題在於（yú）如何證明這種器件能夠從人體中（zhōng）提（tí）取足夠的能量(即至少100毫（háo）瓦)來支撐未來（lái）係統（tǒng）的運轉。MEMS技術另一個可能的應用場合（hé）就是用（yòng）於傳感器和激勵器係（xì）統（tǒng），這些係統用來提供與外界以（yǐ）及與其周圍的混（hún）合信（xìn）號電路的接口。最後，利（lì）用MEMS技術還能夠開發出可用於超低（dī）功耗（hào）(ULP)射頻收（shōu）發機的新元（yuán）件(例如（rú）諧振器)。ULP射頻設備可用於在（zài）傳感器節點和穿戴式中心節點間進行通信，平均功耗50μW。

　　由於使用了（le）新的封裝技術，大量不同種類的複雜係統(例如流體生物傳感器、射頻收發機（jī）、微處理器和電池)得以集成到一個很小的器件中，從（cóng）而使移動式無線（xiàn）醫療器件的穿戴更加簡便。

　　納米技術則使（shǐ）得利（lì）用（yòng）小型互連（lián）器件，實現如細胞、抗體或DNA等身體的生物係統之間的直接相互作用成為可能。新的生物傳（chuán）感器和移植都可（kě）能用到這種技（jì）術。

　　如果能夠開發出低功耗的處理器（qì）結構，又會進一步增大傳感器節點的智能程度（dù），使傳感（gǎn）器自己就能進行（háng）更加複（fù）雜的數據處（chù）理。這就要（yào）求菠萝蜜视频在线观看設計（jì）出能夠運行生物醫學應用的ULP處理器結構(專用指令集處理器（qì）結構和數據存儲器結構)，如今的（de）生物醫學應用一般要求在非優化的處理器上每秒能夠運行2千萬到10億次操作。

　　最後，采用新的設計技術就能有效地對以上應用（yòng）進行（háng）建模、仿真和設計。

　　盡管人（rén）類穿戴BAN這一夢（mèng）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（xué）研究領域的應用。生物電子學是一個包含無限（xiàn）機遇的領域。生物(或生化)反應與電子信號檢測（cè）與放大相結合，就產生了新的激動人心的生物電（diàn）子診斷學（xué）。與此類似，利（lì）用神（shén）經網絡和計算機芯片在微電平上的連接，也能開發（fā）出藥理傳感器，甚至設計出（chū）用於醫學和（hé）技術應用的（de）神經電處（chù）理器。

　　人體信息監控是另一個新興的領域，如開發無線腦電圖(EEG)監控設備來診斷癲癇病（bìng）人。采（cǎi）用可穿戴的無線EEG能夠極大地改善病人的活動自（zì）由，並（bìng）最終通過因特網實現（xiàn）家庭監護。這樣的無線EEG係統已經（jīng）有了，但如何將（jiāng）他們的體積縮（suō）小到（dào）病人可接受的程度還是一個不小的挑（tiāo）戰。

　　采用IMEC的SiC技術就能將無線EEG係統集成到一個體積僅1 cm3的器件中。這樣（yàng），病人就能穿著十分舒適的無線EEG設備做腦電圖了。IMEC今後的開發（fā）重點是進一步縮小集成後的EEG係（xì）統體積，以及將其低功耗處（chù）理技術、無線通信技術和能量提取技術整合起來。在已（yǐ）有係統（tǒng）上增加一個帶太（tài）陽能電池和能量存儲電路的額外堆疊層，也許這樣就（jiù）能構成（chéng）一套完全獨立的解決方案。