集成电路与集成系统
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集成电路与集成系统范文第1篇
关键词：数字；集成电路；构成；系统；测试技术
高新技术的快速发展，带来的是产品质量的提升和成本的降低。对于现阶段的工作而言，测试的具体流程、测试的具体方法，都对产品的质量和成本产生了较大的影响。数字集成电路系统作为现阶段的主流系统，其基本的构成涉及功能的实现，其测试技术的进步涉及产品的质量和生产效率。为此，在分析数字集成电路系统的过程中，需要在不同的模块，投入相应的时间和精力，完成系统的阶段性进步。在此，本文主要对数字集成电路系统的基本构成与测试技术展开讨论。
1数字集成电路系统基本构成
数字集成电路系统在目前的应用是比较广泛的，其在很多方面都具有较大的积极作用。随着时间的推移，现有的数字集成电路系统，集合了过去的很多优点，在多方面均表现出了较大的积极作用。从构成来看，数字集成电路系统主要是将元器件以及连线，有效地集成于同一个半导体的芯片之上，从而完成的数字逻辑电路或者系统。在划分数字集成电路系统的过程中，可根据数字集成电路中，包含的具体门电路、具体的器件数量，划分为小规模的集成电路、中规模的集成电路、大规模的集成电路等。
数字集成电路系统在组成方面主要包括2个内容，分别为组合逻辑和寄存器（触发器）。组合逻辑经过分析后，发现其是由基本门组成的一系列函数，在输出的工作中，仅仅与当前的输入具有密切的关联。倘若表现为组合逻辑，那么在运行的过程中，就只能完成逻辑的运算。在时序电路方面，除了包含基本门之外，还包含存储元件用例，保存过去的信息。因此，时序电路的稳态输出，不仅仅与当前的输入具有密切的关系，同时还与过去的输入所形成的状态具有比较密切的关系。在时序电路方面，其在有效完成逻辑运算的同时，还可以将具体的处理结果进行暂时的存储，以此对下一次的运算提供便利。
2数字集成电路系统测试技术
对于数字集成电路系统而言，其在目前的发展中，除了基本构成不断丰富外，测试技术也在很大程度上取得了提升。目前，数字集成电路系统的测试技术广泛应用于各个领域，不仅获得了较多的数据和资料，同时在多方面实现了数字系统本身的进步。
2.1功能测试
在数字集成电路系统的测试技术当中，功能测试是比较重要的组成部分，其在很多方面都具有较大的积极作用。从客观的角度来分析，功能测试的实施，其目的在于验证电路的设计和使用是否完成了预期的效果。功能测试在开展时，其基本过程如下：（1）从输入端施加若干的激励信号，也就是常说的测试图形。（2）在操作当中，需要按照电路规定的具体频率，有效地施加到被测试的器件当中，这一操作需要仔细进行，避免出现任何形式上的纰漏。（3）要根据两者的相同情况、差异情况等，对具体的数据和信息进行分析，以此来更好地判定电路功能是否达到了正常的状态。
测试图形在应用过程中是检验器件功能的重要途径，获得了业内的高度认可。从理论上来分析，一个比较好的测试图形，本身所具有的特点是非常突出的：（1）测试图形必须具有较高的故障覆盖率，这样才能更好地测试不同类型的故障。（2）测试图形必须具有较短的测试时间。以往的测试花费大量的精力和时间，得到的结果却不精确。因此，针对测试图形的测试时间，要求是比较严格的。（3）测试图形必须针对被测器件的故障、工艺缺陷进行检测，提高被测器件的功能测试准确度。
由此可见，在功能测试过程中，测试电路的具体质量，会与测试矢量的精度具有比较密切的关系。例如，组合电路测试生成算法，其主要包括穷举法、代数法等等。可根据实际的需求，选择合理的方法来完成。
2.2直流参数的测试
数字集成电路系统的测试技术还能够针对较多的重要指标，完成相应的测试工作。直流参数的测试是目前比较关注的问题。从测试技术的角度来分析，直流测试是用来确定器件点参数的稳态，确保器件可以更加稳定的运行。从方法上来分析，直流参数的测试方法比较多样化，目前常用的包括接触测试、漏电电流测试、转换电平测试等。
接触测试在应用过程中，虽然操作比较简单，但需要在细节上有所把握。例如，该测试在具体的应用当中，需要充分的保证测试的接口与器件可以正常的连接。同时，在测量输入和输出方面，应根据管脚保护二极管的具体压降情况，观察连接性是否达到了标准的要求。如果要求未满足，则要重新连接。
漏电测试是一种比较特殊的测试方法，其在应用过程中表现出了很大的优异性。在实际的工作当中，漏电流的出现，主要是由于器件内部和输入管脚之间出现了问题，多数情况下，二者的绝缘氧化膜在生产过程中，表现为特别薄的状态，进而引起了类似短路的情况。最终，导致电流通过，形成漏电流。漏电测试的方法会针对该项参数的具体测试，以此来更好地对器件输入、输出的负载特性进行较好的分析，实现从源头测试。
转换电平测试在目前的应用中，隶属于针对性较强的一类测试方法。转换电平测试在应用当中，会通过反复的运行功能测试的方法，针对导致功能测试失效的临界电压值进行测试和分析，确定转换电平。从技术上来分析，转换电平测试的应用，在很多方面都充分反映了器件抗噪声的能力水平，是一项非常重要的测试技术。
2.3交流参数的测试
数字集成电路系统在现阶段的研究中，获得了很多的积极成果，将成果广泛应用，实现了测试技术的较大提升。交流参数的测试，是数字集成电路系统测试技术的重点表现，其在很多方面都是非常重要的一项指标。
从具体的测试层面来分析，交流参数的测试工作主要是测量器件晶体管转换状态时所表现出的时序关系。执行该项测试的目的在于，确保器件能够在规定的时间内发生正常的状态转换。操作过程中，比较常用的交流测试方法、包括传输延时测试的方法、建立和保持时间测试的方法等。
3测试技术的应用
数字集成电路系统在基本构成获得不断的深化后，测试技术也获得了较大的提升。二者互相辅助造成了良性循环，并且创造出了较大的价值。相对而言，测试技术在获得了深化后，应在具体的应用上作出足够的努力，仅仅在理论上进行研究，并不能创造太多的价值。我国目前对技术的研究是非常重视的，很多工作都达到了较为重要的阶段。数字集成电路系统测试技术作为影响多领域发展的重点技术，必须得到广泛的应用。
例如，现在使用的泰瑞达（Teradyne）公司生产的J750，HILEVEL生产的ETS770。这些都是非常先进的半导体自动测试系统。其中泰瑞达可为半导体电路提供测试解决方案，它拥有模拟、混合信号、存储器及VLSI器件测试所有领域的测试设备。并且该机器是低成本高性能并行测试机，采用windows操作系统，人机界面友好、简单；基于板卡的硬件架构，维护性好；配上MSO，基本能满足SoC的测试需求，有着较高的测试性价比。而HILEVEL生产的ETS770的优点是器件可以通过测试小板很方便地与测试系统相连，并且可以实现对芯片进行快速的逻辑功能验证，测试编程界面全为窗口式，快速简捷，易于掌握。总之，每个测试系统都有各自的硬件配置和程序开发环境，需要测试工程师根据每个测试器件的逻辑结构和电特性制定合理的测试流程，最大限度地发挥每个测试系统的资源优势。
由此可见，数字集成电路系统测试技术在应用层面，表现出了较大的积极作用，总体上创造出的价值是非常值得肯定的。今后，应该在多方面针对数字集成电路系统的基本构成，针对测试技术，开展深入的研究。一方面要不断地健全数字集成电路系统的基本组成，丰富内容；另7y面需健全测试技术体系，从多个方面来提高技术的功能性和可操作性。
集成电路与集成系统范文第2篇
【关键词】高速公路；机电；通信系统；组成；框架
随着我国高速公路事业的快速发展，人们对高速公路机电系统的要求越来越高，尤其是对于机电系统中的通信系统有很高的很高的要求。所谓高速公路机电通信系统指的是运用各种技术手段，通过先进的通信设备来实高速公路各个管理部门之间的有效沟通。运用通信系统传输的主要内容是各个管理部门的语音、数据和图像等。通信系统是高速公路各部门之间有效沟通的关键系统，同时也是实现同外界沟通的重要保障。
1高速公路机电通信系统概述
机电通信系统是由不同设备有机结合构成的一个完整有效的系统，机电通信系统功能的发挥，有赖于各个组成部分的共同努力。一个完整地通信系统一般包括四个部分，一是光纤数字传输系统；二是数字图像传输系统；三是光缆工程和电缆工程；四是通信电源系统。光纤数字传输系统，一般都是把同步数字元系列干线传输和综合业务接入网有机结合的方案。同步数字元系列干线传输主要是用来同相邻道路的联网。中心系统设备的连接主要是通过设置ADM分路站，ADM分路站在设置过程中经常用到的是STM等级的分插复用设备。在分站一般要设置中继站，采用的设备一般是STM等级的中继器。综合业务接入网用的最多的是V5.2接口设备，在速率选择上要根据STM等级同步数字元系统来进行配置。通信系统在构建过程中，要在系统总中心配置光线路终端，在中心分站要配置光网络单元。各站之间的连接要构成自愈环。这样做的目的是为了增强系统的稳定性，提高系统的可靠性。
1.1数据、图像监控系统
数据传输系统主要是利用沿线监控外场设备同分中心设备之间的数据额传输。数据传输的载体是电缆综合接入网。数据传输方式一般采用的是模拟数据传输方式。通信系统为数据传输提供了每秒2Mbit的通道，这是为了方便数据中心同分站之间的数据互传。同时通信系统还提供了充足的音频话路接口，大大方便了操作人员的通讯。
1.2图像信号传输
监控系统外场图像的传输主要是通过专用光纤实现的，系统为每个摄像机提供了一芯专门用于传输图像的光纤。在正反向信号复用后，即可进行传输。
1.3光缆工程和电缆工程
光缆和电缆是信息传输的主要设备，光缆和电缆工程是通信系统的关键部分，光缆电缆性能的好坏对于信息的传输有重要影响。在安装光缆和电缆时首先要根据实地情况，严格采购光缆和电缆，要保证它们的质量。在安装完成后，要注重维护保养，维修保养的最终目的是为了延长光缆电缆的使用寿命。通信电源系统。通信电源是信息正常传输的重要保障。通信电源一是线路电源，针对线路电源，要时常检查线路的运行状况。通过对线路的巡检把各种故障消除在萌芽状态。二是常备电源。保持常备电源的充足，是机电通信系统的基本要求，常备电源充足可有效防止因线路故障，导致线路电源中断导致信息传输中断的现象。
2高速公路机电通信系统基本框架分析
机电通信系统的整个系统框架可以从两个角度来考虑，从系统层次角度考虑可以分为四个部分，一是网络传输部分，二是核心数据部分，三是软件支撑部分，四是业务功能部分。从体系角度考虑可以分为两个部分，一是机电设备管理与数据规范，二是信息安全支撑。
2.1网络传输
它是通过构建系统中心同分中心，再与各收费站之间完整的网络传输线路，从而实现对机电设备的高效地维护保养。核心数据主要是指系统核心数据的处理和保存。软件支撑是通信系统发挥功能的前提，通信系统是由软件和硬件沟通的，它不仅要求网络设备的支撑，更对软件设计有更高的要求，通信系统的软件包括多种如语音控制系统，图形处理软件，数据分析软件。业务功能主要指的是通信系统的各种功能，机电通信系统的最大功能是要通过网络传输线路的构建，来实现高速公路各个部门之间的有效沟通，最终实现对机电设备的高效地维护与保养。
2.2机电设备的管理与数据的规范
它是通信系统的重要工作。通信系统的主要任务就是要通过信息的有效传输，实现对机电设备的有效维修和保养。数据规范是提高通信效率的重要措施，高速公路各个部门之间的数据格式是不同的。数据在传输过程中，由于数据格式不规范，会严重降低数据的传输效率，因而要规范数据。保证信息安全是通信系统正常工作的前提，在数据通信过程中常常会出现信息被外部因素干扰导致信息外泄或者遗失的现象。
3高速公路机电通信联网与故障问题处理
3.1高速公路机电通信联网
最典型的应用实例是ETC。所谓ETC，即不停车收费系统，它是当前正在全面开发和推广的一种用于道路、隧道以及大桥的一种联网式电子收费系统，同时也高速公路机电通信联网系统的重要组成部分。RFID的5.8G产品应用于高速公路的电子不停车收费系统中，使广大的车主实现不停车付费。使用该系统，车主只要在车窗上安装感应卡并预存费用，通过收费站时便不用人工缴费，也无须停车，高速费将从卡中自动扣除。虽然能实现不停车收费，但一般来说，车辆还是需要以较低速度通过。这种收费系统每车收费耗时不到两秒，其收费通道的通行能力是人工收费通道的5至10倍。
3.2高速公路机电故障问题处理
高速公路机电系统故障主要表现为数据、语音以及图像等难以正常的传送，这将直接对高速公路的正常运营、管理以及维护等产生非常大的影响，因此应当对其加强重视。
3.2.1故障确定
高速公路机电系统通常都比较复杂，而且设备制式非常的多、有很多个接口，因此故障排除的最关键一步便是故障确定。故障确定应当采用由近至、从大到小的方式，故障定位通常以机电通信系统中的接口、传输介质等作为其分界点，首先应当分清楚是通信系统问题，还是与相关其它系统出现了故障问题，通信系统是传输设备，传输介质还是其它设备故障，然后确定具体的电路板、线路故障段，从而缩小故障范围，直至找到故障。
3.2.2故障处理
高速公路机电通信故障处理过程中，主要存在着正向与逆向两种思维方法。正向思维法主要通过故障现象对其进行分析，并直接对故障的位置进行确定，处理之，比如根据报警信息判断已经出现故障的电路板；而逆向思维方法则主要是根据故障具体现象，判断系统的制定部分是否存在着故障，并在此基础上分析处理故障点，缩小判断范围。实践中主要的故障处理方法有以下几种：第一，分隔法。该方法主要是将故障系统分成若干个部分，断开连接电路、接线，对其进行分段查找；第二，仪表测试法。系统发生故障时，利用仪表测试其中的部分技术指标，确定故障的具置；第三，环回法。将数据直接发送至接收端口位置，分析判断该系统中的某部分、具体设备是否处于正常状态，进而确定故障部位；第四，对比法。对相同系统的正常系统接线、测试技术指标进行测试，并将其与故障系统比较，然后具体分析出现故障位置，针对性地处理之。
4结语
随着我国高速公路的快速发展，人们对高速公路机电通信系统的要求也越来越高。加强对高速公路通信系统的研究，了解通信系统的组成与基本框架，是提升通信系统性能的重要措施。
参考文献：
集成电路与集成系统范文第3篇
关键词：交通工程；供配电系统；新技术
Abstract: highway traffic engineering system, have their own unique power supply system design requirements. The design requirements, different from the general power supply system of content, has the characteristics of its own, to the electric equipment requirements will be required. In this paper, the traffic engineering system of power supply system of its own characteristics in the introduction, and traffic engineering for distribution of some problems should pay attention to the aspects were discussed. And introduce new technologies related content.
Keywords: traffic engineering; For distribution system; New technology
中图分类号：C913.32文献标识码：A 文章编号：
1设计规范
交通工程供配电设计规范为建设部和交通部出台的有关设计规范和标准。其中建设部颁布的规范为强制性国家标准，为设计的基本原则。交通部的有关文件是行业指导意见，主要是具体针对交通工程设计内容，包括各阶段设计的目的、要求、说明、图纸、表格和内容。
(1)目前由建设部出台的供配电设计有关的主要标准和规范是：
低压配电设计规范（GB50054－95）；10kv及以下变电所设计规范（GB50053－94）；供配电系统设计规范（GB50052－2009）；《3.6kV-40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》（GB3906-2006）。
(2)目前由交通部出台的与交通工程供配电设计有关文件是：
公路工程基本建设项目设计文件编制办法（交公路发[2007]358号）；《公路建设市场信用信息管理办法》；《公路隧道通风照明设计细则》；《交通工程供电技术要求》；其中《交通工程供电技术要求》为根据全国交通工程设施（公路）标准化技术委员会公布的标准项目情况汇总，已纳入近期计划出台的相关标准。
2负荷分级
根据对供电可靠性要求及中断供电在政治、经济上所照成的影响，用电负荷共分为三级，但有关交通工程设备的负荷分级、分类在一般电力设计手册中未见叙述。因此可根据对交通工程设备实际使用情况和相关设备在交通工程系统中的作用，通常将有关设备的负荷分级如下：
一级负荷
收费岛和收费车道设备、收费亭照明、应属于一级负荷。对于管理楼中的部分重要房间，如值班室、财务室、收银室应属于一级负荷。各级通信系统、收费系统、监控系统设备，机房电源应属于一级负荷。
二级负荷
管理区内建筑物的照明用电、收费广场照明、收费大棚属于二级负荷。
三级负荷
其它的各种负荷属于三级负荷。
3主接线形式
目前交通工程设计任务一般可分为以下几类：高速公路、大型桥梁、隧道。
3.1高速公路
在高速公路交通工程中，其变电站一般设置在管理中心、收费站、服务区或养护工区内，变电站间隔为20～30km。每个变电站内均有三种类型的负荷存在。为保证高速公路特有的重要一、二级负荷的供电，按规范要求应采用两路独立的电源供电，但一般高速公路沿线较难在各点都取得两路独立的电源，并且还需投入大量的资金架设双电源线路，因此目前变电站的典型配置为采用以一路外接10kv电源作主电源，并在低压侧配备自启动柴油发电机组以满足一、二级负荷的供电要求。考虑到自启动柴油发电机从启动到以额定功率运行，需60秒以上的时间，所以对通信、监控、收费等系统的重要设备，要求各个分系统在重要设备前设置ups，以真正保证一类负荷的用电需要。
3.2大型桥梁
目前大型桥梁的主桥跨度一般在1000米左右，用电设备较多。除通常三大系统的设备外，还有航空灯、航标灯、主塔电梯、结构内部照明、塔和缆的景观照明等设备。在钢结构大桥中，还可能有内部除湿机系统。这些设备的功率、使用时间、同时系数各不相同，总负荷较大。大桥变电站一般在两岸各设一座或二座，采用两路10kv进线的双电源外线方式，10kv侧采用单母线分段，0.4kv侧采用单母线分段方式运行，将负荷按不同的负荷等级安排相应的低压柜内，以满足一、二级负荷的供电要求。在高低压侧均设置联络柜，正常时高、低压母线分段运行。并在低压侧配备自启动柴油发电机组。
3.3隧道
隧道一般不独立出现，当其作为高速公路中的一段或大型桥梁的接线时，可参考以上内容进行考虑。
4主要设备选择
交通工程供配电设计中的变电站规模一般不大，主要电气设备包括变压器、高压柜、低压柜。各种电气设备和载流导体虽然由于用途不同而具有特定的参数，但是它们却具有共同的特点，就是承受电压和电流通过，因此它们存在共同的基本要求：
1）在正常工作电流长期通过或短路电流短时通过时，发热温度都不应超过允许限度；2）能承受短路电流所引起的电动力；3）具有一定的绝缘水平，能承受运行中的长期工作电压和可能发生的短时过电压。
4.1变压器
变压器按其绝缘的种类可分成三类：(1)液体绝缘变压器；(2)固体绝缘变压器；(3)气体绝缘变压器目前使用较多的类型是油浸式低损耗变压器和环氧树脂浇铸式变压器，选择类型时可以根据变压器设置环境和投资规模综合考虑。目前使用较多的类型是S11系列油浸式低损耗变压器和SC系列环氧树脂浇铸式变压器，选择变压器一般应从变压器容量、电压、电流及环境条件几方面综合考虑。其中容量选择应根据交通工程中用电设备的容量、性质和使用时间来确定所需的负荷量，以此来选择变压器容量。在正常运行时，应使变压器承受的用电负荷为变压器额定容量的75%~90%左右，达到变压器的最佳经济运行点。设备投入运行后，如果实际测出的变压器承受负荷小于50%时，建议更换小容量的变压器。。
集成电路与集成系统范文第4篇
关键词神经通路；神经植入探针；传感后单集成芯片；微型生物可穿戴设备
1引言
谷氨酸（Glutamate，Glu）是神经内关键的兴奋性神经递质之一，其代谢与大神经认知、记忆、运动、神经元可塑性等功能相关[1]。神经信息传导具有神经电生理和神经递质两种方式。对神经内谷氨酸和神经电生理并行检测有利于全面研究神经系统功能。目前，针对谷氨酸和电生理信号的文献报道都是利用单模手段，而在体双模检测报道很少。如2015年Kanamori结合EEG电极和微透析的双模检测法，在体研究大鼠神经内谷氨酸浓度增加的现象[2]。2014年Tani等[3]在神经片中分离出海马CA3区和皮层的谷氨酸能神经突触，通过的功能特别依赖于谷氨酸信号转运，因此熟悉海马生理结构，并从神经电生理、谷氨酸递质传导等方面分析海马区的神经传导通路，是海马区相关神经疾病研究的重要方法。他们采用膜片钳记录电刺激后的离子通道信号，并使用荧光共振能量转移技术测量谷氨酸释放。不论基于神经调控进行病理、药理研究，还是研究某特定神经区神经回路的作用机制，在体实时获得相关神经区电生理和谷氨酸化学递质信号的双模并行变化具有重要意义[4]。谷氨酸与相关化合物通过延长兴奋性突触传递作用导致神经元破坏，引发兴奋性毒性，从而引发癫痫、神经创伤、神经缺血等急性神经元损伤。通常情况下，释放到突触间隙的谷氨酸浓度可达1mmol/L，时间维持10
3s，在突触间隙的谷氨酸长期累积，引起谷氨酸受体受到过分刺激，从而导致神经元损害甚至死亡。海马（Hippocampus）是脊椎动物（包括人类）大脑神经的重要组成，在记忆形成和空间感知中具有非常关键的地位。海马区结构和功能的改变与癫痫、阿尔茨海默病、精神分裂症等神经疾病关系密切，是病理研究的重要神经区之一[5]。长期增强效应作为神经可塑性重要形式即在海马区被第一次发现[6]。海马区神经电信号分类和特征分析在神经疾病研究中具有重要意义，而海马区的功能特别依赖于谷氨酸信号转运，因此熟悉海马生理结构，并从神经电生理、谷氨酸递质传导等方面分析海马区的神经传导通路，是海马区相关神经疾病研究的重要方法。
本研究运用纳米材料修饰技术、微纳加工制造技术、酶生物传感技术、神经调控技术，设计了一款双模（电生理电位与谷氨酸化学递质）并行检测的植入式、8通道神经信息检测器件，并进行在体测试研究。同时，神经器件检测的动作电压信号被后续后端电路进行放大、滤波、去噪、模拟到数字信号转换、功耗优化、并且电路模块高度集成，图1为本研究设计的神经信号处理传感芯片系统整体，并且该微型可穿戴系统[7]可以移植到手机及其它便携生物信号检测终端。
2SOIMEMS谷氨酸检测神经植入传感器和信号处理集成单芯片制备
2.1MEMS植入神经探针制备
本实验采用SOI自停止技术形成硅基底，SOI硅片中间二氧化硅氧化层可作为背面基底湿法腐蚀的自停止层。MEMS神经信息传感探针基于三层光刻工艺，利用了3块掩膜版，如图2所示，探针关键制备流程：（1）为了使硅基底与微电极阵列之间完全绝缘，热氧化制备硅底绝缘层（图2A）；（2）利用第一块掩膜版光刻显影将图形转移到光刻胶上，在其上溅射Ti层后溅射Pt薄膜层，增强粘附性，再剥离光刻胶层与多余的Ti/Pt薄膜层，留下记录位点、导线和焊盘的金属导电层图形，以形成金属导电层（图2B）；（3）采用等离子化学气相沉积（PECVD）方法沉积氮化硅（Si3N4）绝缘层，利用第二块掩膜版进行光刻显影，对氮化硅进行等离子刻蚀，暴露出电极及焊盘，保留引线表面覆盖的绝缘层，以形成氮化硅绝缘层（图2C）；（4）利用第三块掩膜版进行光刻显影，通过深刻蚀形成硅针基底外形；通过湿法腐蚀去除SOI底层硅，使硅针以外的二氧化硅薄层下脱落，形成微电极阵列针体（图2D）。电极针体通过压焊工艺与尾端接口电路进行焊接封装，形成完整的微电极阵列芯片。MEMS传感探针整体，后端正方形焊盘通过压焊连接到外部接口电路，与斩波放大接口电路进行匹配集成（图3A为传感探针的后端尾端焊盘），而尖端则修饰纳米材料酶敏感膜为传感探针的尖端检测位点部分（图3B为2个同样的Pt铂探针），以形成特异选择性的生物识别点。该MEMS探针芯片在硅针基底上集成了电化学微电极阵列、电生理微电极阵列、引线、焊盘以及氮化硅绝缘层。其中，硅探针1（以棱形分布着通道1，2，3和4，为电生理信号检测通道）淀积铂黑纳米材料，用于电生理信号检测；而硅探针2（以棱形排部着通道1，2，3和4，为电化学信号检测通道）则修饰PtmPDGluOx固定敏感复膜，用于神经化学递质信号检测。电生理和电化学位点距离尽量近，便于检测微米范围内同一脑区微h境的电生理/电化学信息。为了防止互相干扰，电极之间距离不能太近。探针前端可植入部分长8mm，探针体宽90μm，相邻探针1与2的间隔是180μm，4个圆形检测位点为一组，分布在每个硅探针尖端，圆形位点直径12μm，形成具有高时空分辨率、生理与化学递质信息互不干扰的微米级检测精度的神经信息检测双探针。
2.2神经电生理检测位点铂纳米颗粒
为了提高微弱神经信号的检测灵敏度，在MEMS探针表面修饰纳米材料，其纳米结构能够有效增大比表面积[8]，以加快表面的电子转运，提高电流响应灵敏度。电化学铂沉积使用阴极沉积机制，在基体电极上直接外延生长纳米铂颗粒层，铂黑的电沉积镀液使用H2PtCl4，再加少量硝酸铅、醋酸铅，铅离子均匀化铂镀层晶粒，同时减少析出的氢的数量，提高了沉积电流效率。通过改变沉积电压及时间，可以形成多种不同形貌的电极表面。沉积电位电位过小不会发生氧化还原反应，电位过大则会引起颗粒簇集问题；沉积时间会影响铂黑层的致密均匀性与厚度，沉积具体操作为：将45mmol/L氯铂酸和4.0mmol/L醋酸铅溶液按体积比1〖KG-3∶〖KG-51配制成电解液，取15mL备用。实验采用两电极体系，将需要电镀的4个位点与电化学工作站工作电极相连，电生理检测的铂丝电极与工作站的对电极（与参比电极短接）相连。将铂丝电极和电极尖端浸入电解液中，在
.1V恒电位下沉积1min，电镀结束后，用去离子水洗掉电极表面的残留离子，即得到疏松的铂黑颗粒薄层。在1kHz处，对修饰后的微电极表面进行电化学阻抗扫描，修饰后的电极阻抗约为34.0kΩ，比未修饰纳米材料的裸电极阻抗下降了一个数量级。图4A为探针修饰铂黑纳米后的表面扫描电子显微镜（Scanningelectronmicroscope，SEM）照片，图4B为化学递质探针尖端表面的铂黑形貌，显示出明显的黑色颗粒层。
2.3电化学检测位点选择性酶膜修饰
制备的MEMS铂探针电极表面固定的谷氨酸氧化酶（LGlutamateoxidase，GluOx）可氧化为谷氨酸，生成氨、H2O2和α酮戊二酸，通过间接测量H2O2发生氧化还原反应的产生电流，再进行电流与谷氨酸浓度的换算，即可得到谷氨酸浓度变化曲线。如图5所示，本研究使用交联法酶固定技术，并加入牛血清蛋白BSA惰性蛋白质作为基质，以防止酶分子交联过程中因密度过大可能导致酶活性中心不能接近底物问题。
在谷氨酸检测位点上固定PtmPDGluOx复膜结构，其中沉积的间苯二胺（1，3Phenylenediamine，mPD）层可与酶层形成有效大分子过滤抗干扰层，阻止尺寸比较大的分子（抗坏血酸AA、多巴胺DA、3/4二羟基苯乙酸DOPAC）通过，而小分子（H2O2等）则可以穿过，膜层接触电极表面发生反应，生成牢固的复膜结构，即形成有效的谷氨酸神经化学递质识别位点。修饰好的电极在室温固化后，形成的酶层稳固性极佳，用水进行冲洗不会脱落。通过对3个电化学位点进行谷氨酸标准溶液标定，在PBS缓冲液中，+0.7V电位作用下，神经化学递质检测电极mPDGluOx微电极对6～35μmol/L不同浓度谷氨酸进行标定，结果显示线性度为0.98，单位面积灵敏度为0.0069pA/μmol，电流响应误差低于3.0pA，线性相关系数（R）为0.97；如图6A所示，mPDGluOx微电极响应电流随谷氨酸浓度的增加而增大；如图6B所示，谷氨酸在电极表面氧化电流与浓度呈线性关系，灵敏度为24.6pA/（μmol/L）。证明设计的电化学检测探针可以实现特异性选择功能。实验结果表明，微电极位点一致性良好、电化学性能可靠，化学递质检测硅针2上以棱形分布着通道5，6，7和8，可用于化学递质谷氨酸的检测。
2.4MEMS传感后端信号处理集成单芯片制备
如图7所示，神经电生理传感后端信号处理集成单芯片包括：带宽/增益可调的低噪声神经电（动作/局部场电位）微弱信号斩波稳定放大器、SARADC与ASK/FSK调制的射频发射器。传感后端的小信号放大器进行前端传感器感知的微弱神经电生理信号的放大与直流失调/低频闪烁噪声的抑制，然后送到低功耗中速SARADC模块进行模拟到数字信号的转换，最终SARADC输出的数字信号被数字编码器模块进行无线信道传输编码并打包成帧，然后帧码流对射频电路物理层进行基于ISM（Industrialscientificmedical）2.4GHz波段的射频上频谱调制，最终经过天线辐射到远处接收基站。芯片能耗进行了降低优化，以提高设备续航时间。本研究设计的传感后端数模混合信号调理单芯片，具有神经电传感后端处理的普适应用价值，构建了可穿戴场合应用的微型神经信号采集与无线传输设备。该模块可以集成到生物智能检测手持终端设备，以构建智慧神经电传感检测设备。
2.4.1神经电生理信号的斩波稳定放大使用调制/解调斩波去噪技术[9]，开发了具有普适应用价值的神经电生理电压信号斩波小信号放大电路。斩波稳定电路利用纹波抑制环路消除位于单级放大器输出端的纹波电压，以避免纹波电压导致后续电路的饱和问题[10]。斩波电路使用正反馈环路技术以提高输入阻抗，提高后端斩波放大器与传感器的分压比，并且负反馈环路用于稳定中频增益。斩波放大器主体核后级联的基于采样/保持原理的部分用于消除由于非理想的MOS开关引起的毛刺噪声，并且斩波放大系统的增益/带宽可以用数字方式进行调整。斩波放大电路基于功耗节省效率提高的电流复用单级放大主体核，并且放大主体单级核增益足够大，有利于抑制后续电路噪声[11]。设计的斩波放大电路，配合双模并行SOIMEMS神经信息检测器件，进行了放大电路关键指标的测试：等效输入噪声电压≤0.7μVrms（rootmeansquare）、数字可调增益范围71～82dB（4200～11200倍）、功耗是8.0μW/单通道、共模抑制比>110dB、电源抑制比>100dB等。
2.4.2SARADC模/数转换SARADC电路采用多级放大器级联自动归零去噪声、锁存去回踢噪声、最高位MSB电容拆分、电容阵列失配消除等技术，研发了一款转换速度适中的SARADC核，其关键参数是：等效量化位数（Effectivenumberofbits，ENOB）为12bits，当最大转换速度为1Msps时，芯片功耗为1.2mW，最大转换速度为1Msps，信噪比SNR为60.9dB、无杂散动态范围（Spuriousnoisefreedynamicrange，SFDR）73.7dB。SARADC使用了深N阱工艺，并且SAR数字控制部分进行单独隔离，防止数字抖动对模拟部分的干扰。最后，对流片后的ADC模块进行测试。结果表明，SARADC可完成放大后模拟神经电压的数字转换。
2.4.3ASK/FSK调制的射频发射利用直接上变频的ASK/FSK调制的射频电路结构，主要模块包括基于锁相环的频率综合器（Phaselockedloopfrequencysynthesizer，PLLFS）与E类的功率放大器（Etypepoweramplifier，PA）。设计的神经电可穿戴设备的感知节点需要布置在人体头部表面，需要使用电池供电；考虑系统复杂度与硬件成本，低功耗、高速率、高集成度是射频电路设计的目标。VCO（Voltagecontroloscillator）通过频率控制字进行频带的选择；此外，分频字进行分频器分频比的控制。PAE的输出功率通过功率控制字进行PAE输出幅度的控制，具有频谱纯净、易于集成、功耗低等特点。FSK调制通过关断锁相环内的开环VCO电容阵列，VCO的变容管电容随着控制电压改变而改变，进而改变输出信号的频率与相位。VCO通过增加电容阵列的数目来扩大VCO的调频范围，从而避免控制电压控制变容器引起的非线性问题。
2.4.4集成后的传感芯片系统、与商用设备&旧系统的对比本研究研发的神经电生理（动作/场电位）信号采集传感后端IC芯片与前端神经电生理探针匹配后集成，具有很小的体积，可以构建微型可穿戴神经检测设备[12]。与商用的Cerebus公司多通道神经电生理信号记录系统进行比较，此多通道神经电检测仪器对电生理信号检测的准确度为95%。由于本电路模块高度集成化，可用于构建神经信息可穿戴微型终端，并且芯片内部对数字逻辑部分进行基于单独隔离环的保护，以及利用深N阱工艺，以降低电路内部噪声。此传感芯片系统体积大大减小，具有便携可穿戴实际应用价值。
3实验部分
3.1实验动物、仪器与试剂
实验动物：健康野生型小鼠；实验试剂：0.9%生理盐水（石家庄四药公司），0.7%趵坦（国药集团化学试剂有限公司）；实验仪器：脑立体定位仪，液压微推进器，BSA124S型电子天平（德国赛多利斯公司）；MWD20型超纯水器（美诚公司，中国）；数据分析软件：OfflineSorter动作电位分类软件（PlexonInC.美国）、NeuroExplorer神经信息分析软件（NexTechnologies，美国）。
3.2实验方法
对麻醉小鼠进行0.75%戊巴比妥钠腹腔注射，去掉头皮后在小鼠颅骨上开1.5mm×1.5mm窗口，并挑破电极进入处的硬神经膜。电极植入时通过大神经皮层进入海马区域，水平定位是（ML：2.01mm，AP：2.04mm）。将微电极阵列垂直固定在微推进器上，通过液压推进器以1.1μm/s的速度缓慢匀速推进微电极，分别到达3个植入深度后暂停120s，等待电流稳定后继续匀速推进。整个实验过程中电极尖端垂直行程为2.2mm，并停留记录在4个不同深度处，包含皮层到海马区不同深度的神经区结构。采用Ag|AgCl丝植入到小鼠神经皮层作为电化学参比电极（AP：2.0mm，ML：
2.01mm，DV：
.01mm）。MEA上的一个电化学位点连接Gamry电化学工作站，采用计时电流法检测神经内化学递质谷氨酸，施加恒电位+0.70V，采样频率为2Hz（采样间隔为0.50s）。
4结果与讨论
4.1皮层至海马区谷氨酸浓度变化
本实验电极覆盖皮层到海马区不同脑区深度的4个停留记录位置如图8所示。电极由皮层植入海马区过程中，使用计时电流法实时记录电流变化[13]，并从立体定位仪上读取植入深度Z（图8）。
在植入初期，电极在皮层表面Z=0.20mm处停留足够长时间（90s），直至电流稳定在约15.19pA。图9A显示400s内电极由皮层（Z=0.70mm）植入到海马区（Z=1.80mm）过程中的电流变化，电极在每个标定深度处停留约40s，并在下降过程中保持匀速。植入过程中电流曲线出现两个明显的浓度台阶，说明谷氨酸在不同神经区分布的自然浓度差异。图9B显示4个不同深度神经区对应的谷氨酸浓度
变化趋势。为了减小计时电流法中非法拉第电流的影响，取Z=0.20mm处最后10s的扫描电流均值为神经颅内‘0′谷氨酸浓度对应的基底电流，电极稳定在某一具体深度后，计算氧化电流均值与该基底电流的差值，通过标定曲线灵敏度换算为该深度神经区的谷氨酸浓度。深度1对应神经区位于视觉皮层，谷氨酸浓度分别为（35.50±0.03）μmol/L、（37.80±0.27）μmol/L。深度3对应神经区位于海马CA1区，谷氨酸浓度分别为（84.50±0.31）μmol/L。深度4处的浓度谷值分别对应皮层与CA1区、CA1区与齿状回交接处的神经区。
4.2皮层至海马区电生理信号分析
利用OfflineSorter软件聚类分析记录到的神经动作电位（Spikes），得到单神经元的放电序列。图10A显示了神经皮层区和海马区典型通道1和3记录到的电生理信号。4个通道在皮层区记录到5种典型Spike，第3通道同时检测到两种不同类型的动作电位；而4个通道在海马区记录到3种典型Spike，其中第4通道同时检测到两种不同的动作电位。记录到的皮层区动作电位发放频率均值为2.10～10.67spikes/s，远大于海马区动作电位发放频率均值0.03～0.15spikes/s。目前，传统微透析法检测的海马区谷氨酸浓度为110～200μmol/L，略高于此微探针电极测量结果。神经电生理实验表明，该微电极上的多测量点可同时记录神经元不同层次的场电位[14]，并很好地记录单个神经元的胞外神经动作Spike电位。微电极记录的皮层动作电位波形种类、发放频率均大于海马区细胞发放水平，说明皮层细胞活跃性和通讯复杂度大于海马区。对海马区的神经电生理记录中，现有文献报道采用膜片钳记录到的海马神经元自发放电主要分为5种类型，分别为不规则发放型、单波规则发放型、紧张发放型、阵发排放型及周期排放型[15]，图10B为通道1记录到的同一种放电波形具有锥体细胞的簇状放电特性。
5结论
针对在体神经信息检测的实际需求，使用SOI衬底的MEMS技术制备了一种双通道植入式神经信息检测8通道微电极阵列芯片。此芯片在硅针基底上集成了铂金电化学微电极、电生理微电极、焊盘与引线等。采用纳米修饰、酶固定技术分别进行电生理位点、谷氨酸检测位点定向修饰。铂黑修饰后电生理检测位点阻抗比裸电极下降了一个数量级；谷氨酸位点在标准谷氨酸溶液内的线性度与单位面积灵敏度、反应时间、选择性均满足要求。基于研发的微电极阵列芯片对皮层至海马区的神经电生理与谷氨酸在体双模检测，实时测量到从皮层至海马区的谷氨酸动态释放和神经动作Spike发放，验证了植入式微电极阵列可实现谷氨酸递质、动作电位和场电位的并行在体检测，可为皮层到海马区神经通路的研究提供有效的MEMS植入神经传感探针。此外，基于传感后端处理芯片（斩波稳定神经电生理小信号放大、SARADC模数转换、编码器与射频发射）构建了一款低噪声低功耗的微型神经电生理信息可穿戴设备。
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AbstractA8channelneuralsignal′ssimultaneoustransducerdetectionmicrosystemwasdevelopedtoresearchtheneurallooplocatedatthebrainhippocampuszone.ThecomponentsofthesystemcontainedtheneuralprobemanufacturedwiththeMicroelectromechanicalsystems（MEMS）techniquebasedonsilicononinsulator（SOI）substrate，biologicallownoisechopperstabilizationamplifier，lownoiseandintermediatespeedSARADCconverter，reducedandlowpowerASK/FSKmodulationradiotransmitter.Themicrosystemwasapplicablewiththecharactersofsmallvolume，interferencesfree，neuralelectrophysiologyandneurotransmittersimultaneousdetection，highsensitivity，highlinearity，etc.Theelectroderesistancewasoptimizedto35.0kΩafterdepositingnanometerplatinumblackonthe4electrophysiologicalsitesonthePtelectrode.Withthemodificationenzymetechnique，nanomaterialenzymemembrane（PtmPDGluOx）wasdirectlyfixedontheglutamatedetectionlocusforselectivelydetectingspecialneuralneurotransmittermatter.Inaddition，theelectrochemistrymeasurementresultsindicatedthatthelinearrangeofglutamatewas6-35μmol/Lwithcorrelationcoefficientof0.97，thesensitivitywas0.0069pA/（μmol/L）.Thecurrentresponseerrorwaslessthan3.0pA，whichshowedthattheneuralneedlesatisfieddifferentialselection.Also，thelogic/analogmixedsignal180nmApplicationspecificintegratedcircuit（ASIC）technique（SmicRF180nm1Poly6M）wasusedtomanufacturethetransducerbackenddisposingICchip，andthetestresultsprovidedsomekeyparameterssuchaschopperstabilizationamplifier（equivalentinputtingnoisevoltage≤0.7μVrms@1kHz，gainof71-82dB，CMRR/PSRR>100dB），SARADC（ENOBis12bits，powerconsumptionis1.2mWwhenmaxmiumconversionspeedis1Msps，signalnoiseratiois60.9dB，etc），andASK/FSKmodulationradiotransmitter（thePA′soutputtingpowerof4-5dBm，theradiationrangeof10meters）.Themicroneuraltransducerintegratedsystemwasconvenientandwirelesswearablefortheresearchofbrainhippocampusregion.
KeywordsNeuralloop；Neuralimplantableneedle；Lownoiseandlowpowerintegrationsinglechip；Biologicalwearabledevice
集成电路与集成系统范文第5篇
关键词：集成电路；测试；PMU Device Characterization
中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 10-0033-01
一、测试系统的基本介绍
传统的集成电路的测试以SOC技术为主，SOC的复杂程度非常高，在一块芯片内不仅可能包含CPU、DSP、存储器、模拟电路等多种芯片，甚至还可能包括射频电路、光电器件、化学传感器等器件，因而SOC的测试系统，具备数字、混合信号、存储器、射频等各种测试，同时各个模块之间还不会产生相互影响。
一般的集成电路的测试系统称为ATE，测试系统主要由单片机模块（CPU）、DC（Device Characterization）测量模块和通道传输模块等组成。各个模块之间通过总线单元进行数据交换和连接。而随着现代测试技术的发展，较好测试系统组成主要的还有：由电子电路和机械硬件组成，是在同一个主控制器指挥下的电源、计量仪器、信号发生器、模式（pattern）生成器和其他硬件项目的集合体。
二、整个系统主要组成
（一）单片机模块（CPU）---测试系统的心脏
该模块是所有数字测试系统都含有的基本模块，是测试系统的起点。“CPU”是系统的控制中心，这里的CPU与计算机中的中央处理器不同，它由控制测试系统的计算机及数据的基本I/O通道组成。许多新的测试系统提供一个网络接口用以传输测试数据；计算机硬盘和Memory用来存储本地数据；显示器及键盘提供了测试操作员和系统的接口。
（二）DC（Device Characterization）测量模块
DC子系统包含有DPS（Device Power Supplies，器件供电单元）、RVS（Reference Voltage Supplies，参考电压源单元）、PMU（Precision Measurement Unit，精密测量单元）。
1.DPS与RVS单元
被测器件的电源管脚所需要的电流及电压是由DPS所供给的；而系统内部的管脚测试单元的比较电路以及驱动所需要的参考电压，则是由RVS单元来供给，包括了VOL、VIH、VOH、VIL四种电压设置方式。而相对比较老的测试系统中，所拥有的RVS也是相对来说比较少的，所以在测试程序时，所提供的输出、输入电平也是比较少。。一些测试系统称拥有“per pin”的结构，就是说它们可以为每一个pin独立地设置输入及输出信号的电平和时序。
2.PMU电路
PMU用于精确的DC参数测量，它把驱动电流送入被测器件而去测量电压或者为器件加上电压而去测量产生的电流。PMU的数量跟测试机的级别有关，低端的测试机往往只有一个PMU，用共享的方式被测试通道逐次使用；中端的则有一组PMU，通常为8个或16个，而一组通道往往也是8个或16个，可以整组逐次使用；而高端的测试机则会采用每个channel配置一个PMU。
（三）通道传输模块
1.通道单元
通道单元有两个功能，一是把测试码合成最终的测试信号施加到DUT（Device under test，被测器件），二是比较及分析DUT的返回信号，并且通过总线，将所得到的结果返回单片机模块。利用逻辑控制单元以及译码电路，控制总线对DUT管脚的地址实现设定并控制，而DUT管脚数据的输出及输入功能，则是由控制单元驱动和管脚驱动所共同控制着的继电器阵列来进行的。VIH（VIL）是由DPS模块设定产生的测试所需的高（低）驱动电平。总线发送由程序预先生成的测试向量，电平转换与驱动单元把测试向量转换为设定电平的测试时序波形，管脚驱动与控制单元控制继电器阵列将要输入的波形施加到DUT的输入管脚。
2.芯片引脚电路
芯片脚电路是测试系统资源部和待测期间之间的接口，它给待测器件提供输入信号并接收待测器件的输出信号。
每个测试系统都有自己异于其它系统的设计但是通常其芯片引脚电路都会包括：
（1）配有输入信号的驱动电路。
（2）切换驱动及对电流负载输入输出选择通道电路。
（3）比较输出电平的电压检验电路。
（4）芯片引脚电路与PMU的连接电路。
（5）能够编程控制的电流负载。
（6）提供能测试高速电流的辅助电路。
3.总线单元
总线（Bus）是各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束，按照所传输的信息种类，是用于各个模块和单元传递信息的公用通道，各个部分通过总线相连接，通过总线单元进行数据连接和交换。
三、结束语
随着数字技术不断发展，在消费电子、通信和计算等领域对测试技术不断提出的挑战，适应测试和组装外包已经成为发展趋势的必然要求。尽管集成电路的测试技术伴着新的测试理念、新的测试流程、方法和技术不断的出现。但从整个系统的角度出发，测试系统都是从单片机模块、DC测量模块和通道传输模块等基础上发展而来。
参考文献：
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