《無線植入式酶感測器信號處理SoC設計方法研究》是依託復旦大學，由王俊宇擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：無線植入式酶感測器信號處理SoC設計方法研究
- 依託單位：復旦大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：王俊宇
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著人口老齡化問題日趨嚴重，對於糖尿病等疾病的患者的健康護理變得越來越重要。適用於家居使用的低成本、小型化的植入式酶感測器可以使病人及時地了解自己的健康狀況、調整用藥量，並可為遠程診斷提供參考，符合健康管理的發展趨勢。本課題提出了一種新穎的基於射頻識別（RFID）和酶感測器的無線植入式酶感測器的信號處理SoC系統結構，並將對其中的關鍵科學問題展開深入研究。研究內容包括酶感測器等效電路模型和噪聲模型，微弱電流信號讀出及調理電路設計方法，適用於植入式感測器的無線能量採集和能量管理方法及敏感信息保護方法。本課題基於標準CMOS工藝研究和開發植入式酶感測器的信號採集和處理電路，通過無線射頻識別技術進行能量傳遞和信息採集，並且支持數據加密和多通道感測器的信號處理，課題研究成果將為實現低成本、微型化、高靈敏度、高安全性和使用壽命長的植入式酶感測器提供基礎。本課題研究具有很好的學術價值和寬廣的套用前景。
結題摘要
低成本、微型化和使用壽命長的無線植入式酶感測器可以實現血糖的連續監測，並可為遠程診斷提供參考。本課題基於標準CMOS工藝研發了一種新穎的基於射頻識別（RFID）和酶感測器的無線植入式酶感測器的信號處理SoC系統結構，並對微弱電流信號讀出及調理電路設計方法，可植入的感測器標籤前端設計方法及數據加密和敏感信息保護電路設計方法等問題展開了研究。本課題研究並開發了兩種微弱電流檢測方案。（1）電容積分器+SAR ADC結構，檢測在一定的積分周期的電容兩端電壓值，優點在於頻寬非常低，可以很好地抑制噪聲。將待測電流分為五個子量程，並分別對應於不同的積分周期。採用相關雙採樣技術來消除電路的靜態offset和減小電路的1/f噪聲。採用8位精度的SAR ADC用於輸出電壓的數字量化。（2）Incremental sigma delta+Dual slope結構，兩種結構分別用於檢測不同量程的輸入信號。在信號較大時（1nA-1pA）利用Incremental結構實現大的動態範圍及高的精度，當信號非常小時（＜1pA），輸入信號的信噪比隨著降低，不再需要大的動態範圍，可利用Dual slope結構降低系統的開關噪聲，提高恆電位儀的精度。在SMIC130nm工藝下進行了流片驗證，測量範圍可以覆蓋1nA(10-9)到10fA(10-14)級，消耗的功耗僅4.26μW。植入式感測器標籤前端主要負責無線能量回收和能量管理，包括整流器、穩壓電路、上電復位電路、調製\解調製電路、編碼\解碼電路等。本課題著重於提高能量轉換效率，降低電路的紋波和噪聲，保證感測器和無線信號傳輸的能量供應。設計的標籤前端的能量轉換效率為40%，標籤前端的靈敏度為-7dBm，能夠為感測器獲取100微瓦以上的能量，標籤前端的功耗為27uA。在SMIC 0.13工藝流片，晶片面積0.7平方毫米。本課題還研究了適用於無線植入式酶感測器的密碼算法、密碼協定及其低功耗實現方法。涉及的算法包括：HB1算法，HB2算法，TEA算法，AES算法和ECC算法。本論文對各安全方案的硬體規模和功耗進行了評估並實現了包含密碼引擎的數字基帶。本課題發表英文論文7篇，其中SCI兩篇，EI會議論文5篇，申請發明專利5項。達到了課題的預期目標。今後將在適用於人體環境的電路最佳化，生物兼容性的封裝技術等方面開展工作。
