imec发表超小型通道生医感测晶片 可读取神经讯号

比利时微电子研究中心（imec）于本周举行的2022年IEEE国际超大型积体电路技术研讨会（VLSI Symposium），发表了一颗具备微缩能力的神经讯号读取晶片，主打世界最小尺寸的讯号纪录通道，可用于神经医学实验，同步撷取神经元的局部场电位与动作电位。

具备128通道的读取电路晶片。

该微晶片采用创新的类比数位转换架构，透过交流耦合一阶差量三角积分（AC-coupled 1st order delta-delta-sigma architecture）的调变设计，可以将微弱的神经类比讯号低失真转换至数位讯号。超小型通道能直接将输入讯号进行数位化，可望突破现有技术，打造出更高解析度的生物感测工具。

用来开发多通道人机介面的晶片设计要求严苛，低功耗和小尺寸成为关键挑战。近期出现了多种创新的读取电路设计，满足上述需求的同时，也要顾及像是杂讯抑制、直流电压偏移校正、输入讯号范围等性能考量。然而，要在这些性能指标之间做出取舍并不容易。直接数位化（direct digitization）的前端电路在靠近讯号源的那端直接将输入讯号进行类比数位转换，据研究显示，这很可能可以大幅减少所需尺寸，但功耗可能居高不下，在频宽或直流电压偏移校正方面，效能也有限。

imec此次发表的神经讯号读取晶片具备增强型数位化性能，与imec开发的Neuropixels探针相比，展现了更佳的抗躁、功耗与尺寸表现，同时利用交流耦合的差量三角积分调变器，增加讯号感测的动态范围（dynamic range）与直流电压的偏移容差。

imec人机介面电路（the Circuits for Neural Interfaces Team）研究计划主持人Carolina Mora Lopez表示：「此次开发的电路设计成功整合了交流耦合与直接数位化技术，实现接近系统电压极限（rail-to-rail）的直流电压偏移校正功能，输入讯号范围也增加至43mVpp，胜过其他的交流耦合设计。这些性能至关重要，不仅能避免通道达到饱和，还能容许受到动作或刺激干扰而产生的讯号失真现象。在讯号输入端采用交流耦合设计还能进一步降低功耗，因为只有交流讯号会进行数位化，因此每通道的总功率仅有8.34 μW。」

差量三角积分架构还能实现数位讯号具备的多数功能，例如抗叠频失真的滤波功能。因此，利用22nm FD-SOI制程这类高度微缩化的技术，就可能把通道尺寸大幅微缩至0.005mm2，并提升讯号品质。

Carolina Mora Lopez总结：「此次发表的最新电路设计具备微缩化与高度数位化的特色，能够缩小晶片尺寸并减少功耗，也展现了同步撷取神经讯号的优异性能，为开发更小尺寸的多电极探针铺平道路，推进神经科学研究发展。」