生物微纳电子学若干可靠性设计问题研究

发布时间：2020-03-26 10:38

【摘要】：在过去半个世纪内,以集成电路为代表的微纳电子技术在很大程度上改变了世界的面貌。然而,如今的微纳电子技术正在发生两方面革命性的变化:一是从技术推动转向需求牵引,“一代CPU产生一代计算机”的时代已经结束,集成电路芯片不再直接引领电子信息产品的更新换代,而是密切依据并迎合用户需求,与其他相关技术高度整合;二是应用领域从“计算机、通信、信息处理”三大传统领域,开始转向“健康、能源、环保”三大新兴领域。与传统的三大领域相比,新兴的三大领域是人类发展更加永恒的主题,微纳电子技术在该领域的未来应用与发展潜力不可估量。在生物医疗领域,微纳电子技术已经得到了一定的应用,通过使用人体植入式芯片,不仅可以实时监测人体器官的健康状态,而且可以智能化地给予人体器官电学、化学、机械的刺激,起到疾病治疗、动态用药和辅助康复等作用,甚至可以用植入式芯片取代已经损坏的器官,使其恢复机能。人体植入式芯片的技术核心是实现硬件的小型化、低功耗、低成本、多功能。而当半导体工艺技术逐渐进入纳米级节点时,所带来的芯片可靠性问题日益增多,例如生物电信号非常微弱,生物芯片对生物电信号的采集越来越容易导致信号失真,难以被后端处理模块转换识别。不仅如此,由于植入式芯片需要长时间在人体内工作,不能频繁取出或再植入,因此芯片内部信息的安全存储和芯片集成电路抗老化研究则成为植入式芯片可靠性设计中重点攻克的关键技术。针对生物微纳电子学所遇到的若干可靠性设计问题,本文基于信号采集、信息存储和电路抗老化三个方向进行了深入研究并给出了解决方案,主要工作如下:1.针对应用于生物微纳电子学中生物电信号采集的植入式芯片,对于可编程的生物神经记录放大器高可靠性结构展开研究。依据植入式芯片发展现状及对信号采集前端放大器的要求,设计了一种含有辅助运放的共源共栅密勒补偿方案,以提高低噪声放大器的稳定性;在此基础上,提出了一种开关漏电缩减方案,以减少可编程电容电阻阵列中MOS开关对系统低频稳定性的影响;最后,提出一种高可靠性、低噪声的可编程神经信号记录放大器结构设计。该放大器具有多种配置条件,以适应不同生物信号的放大及过滤需求,并在低电源电压(1.2V)、0.18μm标准CMOS模数混合集成电路制造工艺下进行了设计和仿真,以验证所设计的电路结构的可行性,并给出相应仿真结果。结果表明,所设计的可编程神经记录放大器(Nerual Recording Amplifier,NRA)具有良好的可靠性,满足生物电子系统对脑神经电信号多样性的采集和放大需要。2.基于当前技术条件下,使用自旋转移矩磁随机存储器(Spin Transfer TorqueMagnetic Random Access Memory,STT-MRAM)替代传统的存储器作为植入式芯片存储模块,通过对STT-MRAM的基本原理进行研究,得出STT-MRAM的存储可靠性相对较低:一方面是由它本身的物理与结构特性(如STT效应的随机性与读取干扰等)所决定;另一方面是由工艺本身的参数偏差(如参考失配等)造成的。此外,STT-MRAM的存储可靠性还受外界环境(如辐射粒子与热扰动等)的影响。将纠错码(Error Correction Code,ECC)技术应用于STT-MRAM或者传统的存储器类型中,可有效提升其存储的可靠性。为此,本文基于1T1MTJ存储单元结构,提出了针对线性分组码的新型译码方案。该方案包括两个校正子译码层:超前纠错层和非对称纠错层,用于处理具有非对称错误率特性的多比特错误,并对该译码方案进行了性能仿真验证,结果表明,该译码方案运行工作正常,为提升植入式芯片存储模块的可靠性提供了有力的技术支持。3.针对植入式芯片中负偏置温度不稳定性效应(Negative Bias Temperature Instability,NBTI)和场效应晶体管对工艺、电压和温度(PVT)变化的影响,基于应用于替代传统存储器的自旋转移矩磁随机存储器中的灵敏电路基本结构,深入研究了NBTI和PVT对灵敏电路的影响。针对此可靠性问题,本文设计了基于开关晶体管和平衡晶体管的新灵敏电路结构,以提高灵敏电路的可靠性,并基于所提出的灵敏电路,进行了理论研究和性能分析。利用垂直各向异性CoFeB/MgO-MTJ紧凑模型和商用40nm CMOS设计工具,对传统灵敏电路和所设计的新型灵敏电路进行了混合SPICE仿真和蒙特卡罗仿真。仿真结果表明,采用开关晶体管和平衡晶体管的灵敏电路不仅降低了NBTI对PMOS器件的影响,而且降低了灵敏电路对PVT变化影响的灵敏度,有效减少了集成电路的老化效应,提高了植入式芯片的可靠性。上述研究表明,本文对生物微纳电子学可靠性设计方向提供了一定的理论基础和技术支持,包括信号采集、信息存储以及电路抗老化。尽管这些研究工作取得了一定的进展和成果,但同时也存在一些不足之处。本文所提出的可靠性设计方案只是通过仿真验证说明了正确性,有待于在后续的工作中进一步通过流片测试进行验证。
【图文】：

器件,品种,假体,人工耳蜗

[5]。图1.1 已应用或正开发的植入式医疗器件图 1.1 给出了目前已投入应用或正在开发的植入式医疗器件的部分典型品种。依照用途，植入式医疗器件可分为传感类（如生物传感器、神经记录器、葡萄糖指示器）、刺激类（如神经刺激器）、治疗类（如心脏起搏器、除颤器）、给药类（如胰岛素泵、输药泵）、假体类（如人工耳蜗、视网膜假体）、矫正类（如人工假肢、人工关节），，它们功能各不相同。人工耳蜗通过刺激耳蜗神经来恢复部分听力，视网膜假体为盲人

生物芯片

[5]。图1.2 生物芯片的整体架构小型化和低功耗是现阶段植入式芯片技术核心也同样是技术难点。在面对监测对象体内多种不同幅值的生物电信号进行实时监测，同时必须兼顾植入式芯片使用者的使用体验及不影响其正常工作和生活。近年来，传感器技术的突破为植入式医疗器件市场化提供了坚实的技术积累[6]，并且半导体技术的突飞猛进大幅度地降低了整体芯片电路系统的体积以及功耗[7]，为植入式芯片提供了小体积、低功耗的硬件解决方案。因此，如何高效可靠的从患者体内采集到有效的健康信息，已经成为了生物芯片以及植入式医疗器件技术重要挑战之一。生物微纳电子学属于交叉学科领域，其中包含了生物医学领域、半导体集成电路领域以及信号处理领域等，是现阶段半导体技术市场
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN402

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