功能性电刺激关键芯片技术的研究和设计实现

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功能性电刺激作为一种神经接口技术如今被广泛应用于瘫痪病人肌肉运动功能的恢复和再造。小型便携化、高效低功耗、可植入、对病人损伤小等成为目前功能性电刺激系统的发展趋势。电刺激器是功能性电刺激系统的必要组成部分,故若能设计一种通用可配置的电刺激器模块则对功能性电刺激系统的开发和应用十分有意义,这正是本课题的研究背景。本文在考虑所设计电刺激系统今后可能的应用领域的基础上提出其性能指标;通过调研和总结现有电刺激系统的一般架构,设计出本芯片的内部结构和数据传输格式。接着本文研究了高电压元器件的电气和工艺特性以及使用方法,并利用高压器件设计了电刺激芯片的电流输出模块。文章最后给出芯片各模块的仿真结果及版图设计。该芯片在X-FAB0.35μm高压工艺库下设计并流片。外部控制器通过SPI接口向芯片传输电刺激参数,数字控制单元通过总线将接收到的数据分配到相应通道以控制电流驱动器输出双向刺激电流。芯片目前为8通道,具备扩展到64通道的能力,在高达90V的供电电压下,单通道最大可输出4mA的刺激电流。
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