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摘要中枢神经损伤的功能恢复是古老而常新的研究课题。传统的神经损伤治疗主要采用神经残端对接的手术方法，依靠神经自身的再生能力实现神经通道的再连通，但这一般仅适用于周围神经。哺乳动物的中枢神经再生能力很差，给中枢神经功能重建和恢复带来了挑战，成为神经科学家迄今尚未攻克的世界级难题。近年的研究表明，采用非常特殊的生物医学手段，可以一定程度上令中枢神经再生，但相关的研究还面临着诸多困难，有效性也待观察。 实现神经功能重建的另一个思路是从神经电现象入手，研制植入体内的微电子器件，以电学的方法辅助地实现神经功能恢复。植入器件可以实现神经信号探测、神经功能电激励等功能，实现神经系统和电子系统之间的信息交换。东南大学王志功教授等提出了微电子嵌入式中枢神经信道桥接的创新研究课题，本论文即从属于该课题。本论文主要研究神经信号探测和植入器件供能系统的研制以及芯片实现，具体研究工作包括： (1)初步分析了神经纤维与神经电极的耦合模型，分析并总结了各类细胞外神经信号探测的系统结构，研制了多通道神经信号探测模块和神经信道桥接系统的体外实验电路，最终实现了具有完整神经信道桥接功能的实验箱并应用于动物实验； (2)开发了应用于华大九天Zeni EDA系统的华润上华CSMC DPDM 0.6μm CMOS工艺设计套件(PDK)，包括各相关工艺文件、参数化单元版图库、验证文件(DRC、LVS、LPE)等； (3)研制了多种CMOS运算放大器，采用CSMC DPDM 0.6μm CMOS工艺流片并进行了测试，包括通用型两级CMOS运算放大器、低电压背栅驱动CMOS运算放大器、宽带的前馈补偿CMOS运算放大器； (4)研究了无线的经皮能量传输耦合系统，包括耦合系统的理论分析和优化、电磁场仿真、四维实验平台的搭建、空气和皮肤介质下进行的系统能量耦合实验、采用CSMC：DPDM 0.6μm CMOS工艺研制了体内能量提取和片上高压电源电路的芯片并进行了测试； (5)采用CSMC DPDM 0.6μm CMOS工艺研制了多种CMOS神经信号探测放大器芯片并进行了测试。芯片封装后，研制了有望植入体内的神经信号探测微模块，采用多芯片组件技术研制了具有完整神经信号探测和神经电激励功能的神经信道桥接微模块； (6)采用体外分立元件电路实验箱和芯片微模块，已进行了六次动物实验，验证了课题思想并检验了研制系统的功能有效性，对实验结果进行了初步分析。 本论文的研究内容属于神经生物学与微电子技术的交叉学科研究领域。第一章绪论首先介绍了神经生物学研究的发展概况和课题背景。在神经生物学知识的概述之后，介绍了课题组提出的微电子嵌入式中枢神经信道桥接和神经信号有源再生的系统构思、框架结构，简述了本论文研究内容与课题总体目标之间的关系。 第二章首先介绍了脊髓神经损伤以及生物医学方法神经功能再生研究的背景情况。之后重点介绍了神经元的电学特性及神经动作电位在轴突内的传导，并引入了数学方法描述神经动作电位的传导特性。最后介绍了神经信号探测与神经功能电激励微电极阵列。 第三章介绍了采用分立元件搭建的多通道神经信号探测模块和神经信道桥接系统实验箱的研制。模块及实验箱已用于多次动物实验，一方面验证了课题思想、推动了课题进展，另一方面作为原型电路，为后继的芯片研制积累了经验。论文介绍了神经信号探测模块和系统实验箱的电路分析和设计，给出了实物照片和相关的仿真、测试结果。 对于体内植入来说，体外实验用的电路模块和实验箱的尺寸太大了，因此从第四章开始，研究重点从分立元件电路模块的研制转向了相关集成电路芯片的研制。第四章首先介绍了可植入式微电子器件的研究概况，特别是针对可植入式神经信号探测，阐述了实现植入化的价值和必要性。之后，针对可植入式系统重要的低噪声和低功耗的设计要求，通过电路理论分析给出了芯片设计优化方法和约束条件。最后介绍了无生产线的全定制集成电路设计流程。第五章介绍了CMOS集成电路工艺的情况。首先对各种典型集成电路工艺进行了比较，阐述了本论文选择华润上华CSMC DPDM 0.6μm CMOS工艺进行芯片设计的理由，并对该工艺的特点进行了较详细的介绍。集成电路的设计必须与集成电路工艺紧密结合，衔接芯片设计和集成工艺的一套文件集合称之为工艺设计套件(PDK)。由于论文所选择的工艺在PDK服务支持方面有所欠缺，因此需自行开发，第五章后半部分对此进行了介绍。 第六章介绍了CMOS运算放大器的设计与实现。首先设计了通用型两级CMOS运算放大器，着眼于在工艺、电压、温度等条件变化下均能获得稳定一致的性能，对其电路结构和参数进行了分析、改进和优化。此外，介绍了低供电电压的背栅驱动CMOS运算放大器和高增益高带宽的前馈补偿CMOS运算放大器。三种运算放大器都在采用CSMC DPDM 0.6μm CMOS工艺实现后进行了测试。 第七章介绍了无线能量经皮传输系统的设计研究。首先对供能方式的选择理由进行了阐述，并描述了无线能量经皮传输的系统结构和各个组成模块的功能。之后，介绍了能量耦合传输系统的实现，研究工作包括平面螺旋线圈互感网络的理论分析优化、电磁场仿真、互感线圈耦合系统在空气和皮肤介质下的实物实验等。体内能量接收提取的功能也需要设计相应的集成电路来实现，因此还介绍了整流稳压芯片的设计研究。为了满足神经功能电激励芯片的特殊供电要求，还设计了采用倍压整流技术的在片高压电源电路芯片。相关的电路芯片都在采用CSMC DPDM 0.6μm CMOS工艺实现后进行了测试。最后，初步探讨了体外能量发射电路的设计。 论文第八章介绍了CMOS神经信号探测放大器芯片和微模块的研制。按照不同的设计思路，设计了三种CMOS神经信号探测放大器。三种神经信号探测放大器芯片都在采用CSMC DPDM 0.6μmCMOS工艺实现后进行了测试。之后，将神经信号探测芯片封装并装配于PCB板上制成了神经信号探测微模块。进一步地，采用多芯片组件技术将神经信号探测芯片和神经功能激励芯片封装在一起构成神经信道桥接系统微模块。这两种微模块都进行了测试，并在之后应用于了动物实验。 本论文的交叉学科研究背景要求论文所做的一些主要研究工作需要通过实际应用于动物实验来进行检验。第九章集中介绍了课题研究中进行的六次动物实验，列举了所取得的实验结果。对具有典型意义的神经信号波形进行了重点的说明，阐述了相关的实验情况。最后，还对所获得的神经信号探测波形进行了时域、频域和相关性的初步分析。 论文第十章对博士生阶段的研究工作进行了总结，对未来进一步的研究进行了展望。 综上所述，研制了神经信号探测的体外实验系统并采用CMOS工艺研制了集成芯片，已进行了多次动物实验，获得了一系列的实验结果。设计了无线能量传输系统，进行了耦合特性实验并研制了系统中的相关芯片，为实现植入器件的无线供能打下了基础。论文对可植入式微器件中的关键问题进行了研究，推动了跨系统的集成芯片的设计研究。本论文的研究工作是微电子嵌入式中枢神经信道桥接课题的一个组成部分，对神经生物学基础研究和瘫痪病人神经功能恢复的临床应用均具有一定的价值。