【摘要】：在過去半個世紀內(nèi),以集成電路為代表的微納電子技術在很大程度上改變了世界的面貌。然而,如今的微納電子技術正在發(fā)生兩方面革命性的變化:一是從技術推動轉向需求牽引,“一代CPU產(chǎn)生一代計算機”的時代已經(jīng)結束,集成電路芯片不再直接引領電子信息產(chǎn)品的更新?lián)Q代,而是密切依據(jù)并迎合用戶需求,與其他相關技術高度整合;二是應用領域從“計算機、通信、信息處理”三大傳統(tǒng)領域,開始轉向“健康、能源、環(huán)�！比笮屡d領域。與傳統(tǒng)的三大領域相比,新興的三大領域是人類發(fā)展更加永恒的主題,微納電子技術在該領域的未來應用與發(fā)展?jié)摿Σ豢晒懒�。在生物醫(yī)療領域,微納電子技術已經(jīng)得到了一定的應用,通過使用人體植入式芯片,不僅可以實時監(jiān)測人體器官的健康狀態(tài),而且可以智能化地給予人體器官電學、化學、機械的刺激,起到疾病治療、動態(tài)用藥和輔助康復等作用,甚至可以用植入式芯片取代已經(jīng)損壞的器官,使其恢復機能。人體植入式芯片的技術核心是實現(xiàn)硬件的小型化、低功耗、低成本、多功能。而當半導體工藝技術逐漸進入納米級節(jié)點時,所帶來的芯片可靠性問題日益增多,例如生物電信號非常微弱,生物芯片對生物電信號的采集越來越容易導致信號失真,難以被后端處理模塊轉換識別。不僅如此,由于植入式芯片需要長時間在人體內(nèi)工作,不能頻繁取出或再植入,因此芯片內(nèi)部信息的安全存儲和芯片集成電路抗老化研究則成為植入式芯片可靠性設計中重點攻克的關鍵技術。針對生物微納電子學所遇到的若干可靠性設計問題,本文基于信號采集、信息存儲和電路抗老化三個方向進行了深入研究并給出了解決方案,主要工作如下:1.針對應用于生物微納電子學中生物電信號采集的植入式芯片,對于可編程的生物神經(jīng)記錄放大器高可靠性結構展開研究。依據(jù)植入式芯片發(fā)展現(xiàn)狀及對信號采集前端放大器的要求,設計了一種含有輔助運放的共源共柵密勒補償方案,以提高低噪聲放大器的穩(wěn)定性;在此基礎上,提出了一種開關漏電縮減方案,以減少可編程電容電阻陣列中MOS開關對系統(tǒng)低頻穩(wěn)定性的影響;最后,提出一種高可靠性、低噪聲的可編程神經(jīng)信號記錄放大器結構設計。該放大器具有多種配置條件,以適應不同生物信號的放大及過濾需求,并在低電源電壓(1.2V)、0.18μm標準CMOS模數(shù)混合集成電路制造工藝下進行了設計和仿真,以驗證所設計的電路結構的可行性,并給出相應仿真結果。結果表明,所設計的可編程神經(jīng)記錄放大器(Nerual Recording Amplifier,NRA)具有良好的可靠性,滿足生物電子系統(tǒng)對腦神經(jīng)電信號多樣性的采集和放大需要。2.基于當前技術條件下,使用自旋轉移矩磁隨機存儲器(Spin Transfer TorqueMagnetic Random Access Memory,STT-MRAM)替代傳統(tǒng)的存儲器作為植入式芯片存儲模塊,通過對STT-MRAM的基本原理進行研究,得出STT-MRAM的存儲可靠性相對較低:一方面是由它本身的物理與結構特性(如STT效應的隨機性與讀取干擾等)所決定;另一方面是由工藝本身的參數(shù)偏差(如參考失配等)造成的。此外,STT-MRAM的存儲可靠性還受外界環(huán)境(如輻射粒子與熱擾動等)的影響。將糾錯碼(Error Correction Code,ECC)技術應用于STT-MRAM或者傳統(tǒng)的存儲器類型中,可有效提升其存儲的可靠性。為此,本文基于1T1MTJ存儲單元結構,提出了針對線性分組碼的新型譯碼方案。該方案包括兩個校正子譯碼層:超前糾錯層和非對稱糾錯層,用于處理具有非對稱錯誤率特性的多比特錯誤,并對該譯碼方案進行了性能仿真驗證,結果表明,該譯碼方案運行工作正常,為提升植入式芯片存儲模塊的可靠性提供了有力的技術支持。3.針對植入式芯片中負偏置溫度不穩(wěn)定性效應(Negative Bias Temperature Instability,NBTI)和場效應晶體管對工藝、電壓和溫度(PVT)變化的影響,基于應用于替代傳統(tǒng)存儲器的自旋轉移矩磁隨機存儲器中的靈敏電路基本結構,深入研究了NBTI和PVT對靈敏電路的影響。針對此可靠性問題,本文設計了基于開關晶體管和平衡晶體管的新靈敏電路結構,以提高靈敏電路的可靠性,并基于所提出的靈敏電路,進行了理論研究和性能分析。利用垂直各向異性CoFeB/MgO-MTJ緊湊模型和商用40nm CMOS設計工具,對傳統(tǒng)靈敏電路和所設計的新型靈敏電路進行了混合SPICE仿真和蒙特卡羅仿真。仿真結果表明,采用開關晶體管和平衡晶體管的靈敏電路不僅降低了NBTI對PMOS器件的影響,而且降低了靈敏電路對PVT變化影響的靈敏度,有效減少了集成電路的老化效應,提高了植入式芯片的可靠性。上述研究表明,本文對生物微納電子學可靠性設計方向提供了一定的理論基礎和技術支持,包括信號采集、信息存儲以及電路抗老化。盡管這些研究工作取得了一定的進展和成果,但同時也存在一些不足之處。本文所提出的可靠性設計方案只是通過仿真驗證說明了正確性,有待于在后續(xù)的工作中進一步通過流片測試進行驗證。
【圖文】：

[5]。圖1.1 已應用或正開發(fā)的植入式醫(yī)療器件圖 1.1 給出了目前已投入應用或正在開發(fā)的植入式醫(yī)療器件的部分典型品種。依照用途，植入式醫(yī)療器件可分為傳感類（如生物傳感器、神經(jīng)記錄器、葡萄糖指示器）、刺激類（如神經(jīng)刺激器）、治療類（如心臟起搏器、除顫器）、給藥類（如胰島素泵、輸藥泵）、假體類（如人工耳蝸、視網(wǎng)膜假體）、矯正類（如人工假肢、人工關節(jié)），，它們功能各不相同。人工耳蝸通過刺激耳蝸神經(jīng)來恢復部分聽力，視網(wǎng)膜假體為盲人

[5]。圖1.2 生物芯片的整體架構小型化和低功耗是現(xiàn)階段植入式芯片技術核心也同樣是技術難點。在面對監(jiān)測對象體內(nèi)多種不同幅值的生物電信號進行實時監(jiān)測，同時必須兼顧植入式芯片使用者的使用體驗及不影響其正常工作和生活。近年來，傳感器技術的突破為植入式醫(yī)療器件市場化提供了堅實的技術積累[6]，并且半導體技術的突飛猛進大幅度地降低了整體芯片電路系統(tǒng)的體積以及功耗[7]，為植入式芯片提供了小體積、低功耗的硬件解決方案。因此，如何高效可靠的從患者體內(nèi)采集到有效的健康信息，已經(jīng)成為了生物芯片以及植入式醫(yī)療器件技術重要挑戰(zhàn)之一。生物微納電子學屬于交叉學科領域，其中包含了生物醫(yī)學領域、半導體集成電路領域以及信號處理領域等，是現(xiàn)階段半導體技術市場
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN402

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6 北京 丁傳~

本文編號：2601328