結合生物反饋之新世代腦機介面及其在移動載具控制之應用---子計畫二：智慧型感測系統單晶片設計與嵌入式無線生醫平台開發(I)

Abstract

本計畫為整合型計畫中的子計畫一—智慧型感測系統單晶片設計與嵌入式無線生 醫平台開發，負責進行包括腦電波訊號等多生理訊號感測系統單晶片的設計與製作，及 其相對應的嵌入式無線生醫平台整合。本計畫分三年執行，主要基於超大型積體電路系 統單晶片整合設計技術(VLSI-SoC)，除分別製作腦電波應用之前級儀表放大濾波器、生 醫應用之多感測器整合通用型類比數位轉換器、應用於生醫感測網路之低功耗控制處理 器等主要核心電路以外，並結合上述核心電路研究成果，將各項元件縮小、精化，進一 步的整合成為智慧型感測系統單晶片設計；且應用自行設計的晶片，搭配其他商用元 件，開髮結合可攜式、低功耗、無線通訊傳輸等特色的嵌入式無線生醫平台。此平台可 讓子計畫二、子計畫三、子計畫五能獲得完整的通訊介面，且能有效且方便、即時的將 各種生理訊號傳遞給其他運算單元，進而達到完整的設計驗證，達到總計劃所訂定的目 標。未來三年之執行摘要如下所述： 第一年計畫摘要： 第一年的計畫預計使用台積電0.35um 2P4M 標準製程達成整合腦電波應用前級放 大濾波器、多感測器及通用型類比數位轉換器之系統單晶片(SOC)的設計。處理腦電波 訊號方面，由於腦電波屬於低頻訊號，則其相對應的濾波器所使用的被動元件將會相當 龐大，在設計上會利用切換電容方式以降低被動元件的面積；此外，對於量測的環境上 方便在監控腦波訊號時，也將整合晶片式溫度感測電路，能夠同時獲得溫度參數以供參 考；在類比數位轉換器方面，電路設計定位在適合應用在生物醫學領域之多感測器信號 轉換器，因此考量取樣頻率和頻寬等因素以符合不同信號用途；嵌入式系統方面，目前 針對腦波信號偵測平台進行整合電路板的開發，並預計先行整合無線通訊模組，以無線 化為最初步的設計考量。 第二年計畫摘要： 第二年的工作預計將第一年的腦電波信號處理電路，採用台積電0.18um 1P6M 標準 製程進行整體系統的整合工作，其目的除了改良、修正、降低功耗及縮小製程外，將會 結合低功耗處理器以進行智慧型感測器控制以及與通訊元件溝通，本年度亦將開始開發 0.18um 製程，基於Sub-threshold 操作技術之超低功耗邏輯閘，以便在整體電路上降低 功耗；嵌入式系統方面，除了使用第一年所整合的晶片以外，持續的工作將專注於偵測 平台微小化，著重於電源系統及低功耗無線通訊模組之控制及使用，目標在於能使用充 電電池作為電源，能具備長時間待機以及完整無線通訊功能。 第三年計畫摘要： 第三年的工作則是進行整體系統進一步的整合工作，除持續提高感測電路偵測效果 以外，亦將導入0.13um 或90nm 製程之超低功耗邏輯閘電路，在架構上也持續降低處 理器之功率消耗並進行系統特性分析。除此之外，我們亦將針對智慧型的生理電訊號進 行演算法開發，賦予此感測元件自動辨認信號特徵的靈魂，而方便進行進一步的處理。 最後，亦將立足於這幾年的研究經驗，進一步地擘畫未來的研究方向。