Imec 超小型通道醫學感測晶片

比利時微電子研究中心（Imec）發表一顆具備微縮能力的神經訊號讀取晶片，主打世界最小尺寸的訊號紀錄通道，可用於神經醫學實驗，同步擷取神經單位的局部場電位與動作電位。該微晶片採用創新的類比數碼轉換架構，透過交流耦合一階差量三角積分（AC-coupled 1st order delta-delta-sigma architecture）的調變設計，可以將微弱的神經類比訊號低失真轉換至數碼訊號。超小型通道能直接將輸入訊號進行數碼化，可望突破現有技術，打造出更高解像度的生物感測工具。

一直以來，用於開發多通道人機介面的晶片設計要求嚴苛，低功耗和小尺寸成為關鍵挑戰。近期出現了多種創新的讀取電路設計，滿足上述需求的同時，也要顧及像是雜訊抑制、直流電壓偏移校正、輸入訊號範圍等性能考量，不過要在這些性能指標之間做出取捨並不容易。直接數碼化（Direct Digitization）的前端電路在靠近訊號源的那端直接將輸入訊號進行類比數碼轉換，這很可能可以大幅減少所需尺寸，但功耗可能居高不下，在頻寬或直流電壓偏移校正方面，效能也有限，而Imec  的神經訊號讀取晶片具備增強型數碼化性能，與Imec  開發的 Neuropixels 探針相比，展現了更佳的抗躁、功耗與尺寸表現，同時利用交流耦合的差量三角積分調變器，增加訊號感測的動態範圍（Dynamic Range）與直流電壓的偏移容差。Imec 人機介面電路（the Circuits for Neural Interfaces Team）開發的電路設計成功整合交流耦合與直接數碼化技術，實現接近系統電壓極限（Rail-to-rail）的直流電壓偏移校正功能，輸入訊號範圍也增加至43mVpp，勝過其他的交流耦合設計。這些性能至關重要，不僅能避免通道達到飽和，還能容許受到動作或刺激干擾而產生的訊號失真現象。在訊號輸入端採用交流耦合設計還能進一步減低功耗，因為只有交流訊號會進行數碼化，因此每通道的總功率僅有 8.34 μW，此外差量三角積分架構還能實現數碼訊號具備的多數功能，例如抗疊頻失真的濾波功能，因此利用 22nm FD-SOI 製程這類高度微縮化技術，就可能把通道尺寸大幅微縮至 0.005mm²，並提升訊號品質。Imec  今次發表的最新電路設計具備微縮化與高度數碼化的特色，能夠縮小晶片尺寸並減少功耗，也展現同步擷取神經訊號的優異性能，為開發更小尺寸的多電極探針開路，推進神經科學研究發展。