[发明专利]自供电和电池辅助的CMOS无线生物传感IC平台

说明书

本发明公开了一种可自动配置的生物传感处理器芯片，其可以支持各种生物传感器。连接有生物受体用作特定生物分子的纳米线、ECG和SPO2生物传感器驱动模拟电压或电流到生物传感处理器芯片的模拟输入。这些模拟输入被分成三组。输入传感检测器/解码器检测到哪些模拟输入是有效的，并配置模数转换器，将第一组输入转换成12数字位，将第二组输入转换成16数字位，以及将第三组输入转换成20数字位。模拟前端绕过第一组输入，但是放大和滤波第二和第三组输入。通用异步收发器使用NFC或Wifi发射器发送被转换的数字值到一个靠近的外部设备。当检测到没有电池时，从来自外部设备的NFC信号中收集能量，进行单次测量。

技术领域

本发明涉及可穿戴计算，特别涉及可配置的生物传感芯片。

背景技术

半导体技术的发展，已经使一个非常大的、复杂的计算系统集成到一个非常小的集成电路(IC)上成为可能。随着功耗的减少，电源电压也有所降低，从而使这些IC可以由电池供电，甚至通过从附近的发射源(如近场通信(NFC)或射频识别(RFID)发射器)收集能量而自供电。

可以使用RF信号的感应耦合来收集能量。RFID标签和读写器之间的距离(范围)被限制为约3米。近场通信(NFC)设备则特意限制至20厘米以提高安全性。用户需要将他们的具有NFC功能的设备(如智能手机)几乎触碰到NFC读取器来验证NFC交易。

最近，已经开发出蓝牙低功耗(BLE)标签，以及蓝牙4.0协议。和无源RFID标签不同，BLE标签会由一个低能量源供电。苹果公司已经进一步增强BLE标签来创建iBeacon。iBeacon是使用低能量源(诸如电池)供电的，因此有足够的能量而周期性地或连续地广播一个信息包到附近设备。范围可以大到100米，但可以通过降低广播功率而减小范围。广播信息包从iBeacon/BLE标签推送到附近设备，而无源RFID标签则通过由RFID读取器供电以读出数据。RFID、BLE和NFC可以共存，因为每个都各有优点和缺点，适合不同的应用。

设备的缩小化和能源的高效率已经使可穿戴计算成为可能。集成电路装置可通过胶带穿在衣物内或附着在人的皮肤上。有些是可丢弃性的，因为使用卫生。各种生物传感器可附连到集成电路上，使得人的各种生理指标可以随时被检测到，如心率、体温、和呼吸。化学传感器可以检测特定的生化指标，如DNA标记、血糖、或各种气体。有些传感器是一次性的，当靠近射频发射器时，做一次性测量，没有电池供电。有些传感器则因为电池供电可以连续工作。有些使用NFC，有些则使用RFID或BLE通信标准。

图1显示纳米线(nano-wire)生物传感器。纳米技术已经应用于特定的生物传感器。由半导体制造工艺在硅衬底102上制成纳米线110。二氧化硅(玻璃)层104和氮化硅Si3N4层106生长或沉积在硅衬底102上。

纳米线110可以是薄的多晶硅层，连接于源极114和漏极112之间。壁116上有一个开口给纳米线110，以允许周围的化学物诸如分析物(analytes)120接触到纳米线110。化学受体(Chemical receptors)118被键合到纳米线110上。当分析物120键合到受体118上时，电子移出或移入纳米线110，从而减少或增加纳米线110内的自由载流子。当分析物120与受体118键合时，纳米线110的有效电阻因而改变。这种键合可以是弱化学键或其它种类的物理接合，当漏极112和源极114之间有电流时，分析物120出现时的电阻变化可被测量出来。硅衬底102充当栅极，用以偏压纳米线110。

通过选择化学受体118，纳米传感器130可以感测各种特定的化学物，包括大分子生化(large bio-chemicals)。可以将四条纳米线110布置成电源和地之间的桥式网络，从中间节点有两个差分传感器输出。桥式网络中四条纳米线的其中两条可以暴露于环境及任何分析物120，而另两条纳米线则被密封并防止暴露于分析物120。这种桥式纳米线网络是特别敏感的。