外层型cmos人工视网膜芯片的研究-仪器科学与技术专业论文.docx

摘要目前，基于神经电刺激的人工视觉功能修复技术已成为人工器官领域的研究热点之一。根据刺激位置的不同，人工视觉功能修复可分为视皮层修复（CorticalProsthesis）、视神经修复（OpticNerveProsthesis）和视网膜修复（RetinalProsthesis）三大类。相比较而言，视皮层修复和视神经修复两种方式需将刺激电极阵列植入大脑皮层或视神经区域，手术复杂性和风险性较大。视网膜修复技术自从Humayun 等人首次提出以来，已经历了十多年的发展，并且研究方案主要分为两种类型：表层型视网膜修复（Epiretinal Prosthesis）和外层型视网膜修复（SubretinalProsthesis）。外层型视网膜修复技术将刺激器件植入在视网膜神经感觉上皮和色素上皮层之间的区域（SubretinalPlace），首先刺激的是外层视网膜表面，因此可以利用更多的受损视网膜中存活的细胞对视觉信号进行处理，并使电流刺激阈值降低，本质上具有突出的优势。国外对各种人工视觉功能修复技术都进行了很深入的研究，特别是美国的第二视觉公司（Second Sight）和光学仿生学公司（Optobionics）已经分别将自己研究的人工视网膜芯片植入盲患眼中进行临床实验。相对于我国庞大的盲患人群，国内人工视网膜技术的研究起步较晚。针对目前外层型视网膜修复技术需要在眼外提供很强照明的不足，本文在自然科学基金项目（No资助下，在电路层次上进行适用于自然光照条件的外层型CMOS人工视网膜微芯片的研究。论文首先介绍了人工视觉功能修复技术的概念、分类及特点，综述了国际上在这一领域的研究现状，并分析了人工视觉修复技术的发展方向。总结和分析了进行外层型CMOS人工视网膜微芯片设计的理论和实验依据，包括神经细胞电刺激产生动作电位的原理、视网膜细胞电刺激的有效性、安全性、刺激阈值、刺激电极材料以及电极-视网膜界面的电性能等。针对目前外层型人工视网膜修复技术的不足，提出了一种在自然光照条件下用于外层型视网膜电刺激的光控CMOS振荡像元结构。新方案中光电探测器工作在积分工作模式，利用光电流控制像元上电容的放电过程，实现像元输出脉冲频率随外界光强准线性变化。电路仿真结果表明，与国外振荡像元类方案相比，新方案具有像元结构简单和输出性能好的优点。光电探测器是光控CMOS振荡像元的信号源头，论文分析了目前与CMOS工艺兼容的光电探测器类型，并进行了性能比较。从半导体中载流子平衡方程出发，详细阐述了光电二极管感应光电流的过程及电流的计算模型，建立了光电二极管的PSPICE仿真模型。利用所建模型，对光控CMOS振荡像元电路进行了优化设计和定量模拟。论文进行了外层型CMOS人工视网膜微芯片版图设计，芯片上包含了一个16×16的光控CMOS振荡像元阵列、6个不同的测试像元以及用于能源接收的片上CMOS能源接收电路的初步方案。对设计的版图进行了设计后仿真，并进行了优化设计。采用0.6μm的双层金属双层多晶硅（DPDM）双阱标准CMOS工艺进行了外层型CMOS人工视网膜微芯片的流片。加工得到的芯片面积为1.96mm× 1.96mm，像元面积为52μm×48μm。论文在标准色温灯条件和自然光照条件下对外层型CMOS人工视网膜微芯片进行了测试。全面考察了采用不同类型光电二极管和电容的6个测试像元的输出性能，对16×16光控CMOS振荡像元阵列进行了功耗测试，并对片上CMOS能源接收电路进行了初步实验。实验结果表明，光控CMOS振荡像元具有结构简单、像元面积小、功耗低、单电源工作及适用于自然光照条件等优点。所研究的方案在电路层次上已经达到了外层型视网膜修复的应用要求。在硅片上实现外层型CMOS人工视网膜微芯片只是研究的第一步，还有很多配套和后续工作要做，包括电极处理、芯片减薄、封装、手术植入等等。这些有待于眼外科医学、神经生物学、材料学及微机械加工等领域的研究者共同努力。本文的研究工作对我国开发自主知识产权的人工视网膜芯片是一个很好的开始，为下一步的研究工作打下了一定的基础。关键词：人工视网膜芯片，光控CMOS振荡像元，外层型视网膜修复，神经电刺激，CMOS集成电路ABSTRACTArtificialvisualfunctionsrecoveryhasattractedthemostattentioninthefieldof artificialorgans.Ingeneral,thereare threetypesofsolutions accordingto the differentpositionsofelectricalstimulation,namedcorticalprosthesis,opticnerveprosthesisandretinalpros