【比利時魯汶訊，2022年6月16日】比利時微電子研究中心（imec）於本周舉行的2022年IEEE國際超大型積體電路技術研討會（VLSI Symposium），發表了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，同步擷取神經元的局部場電位與動作電位。該微晶片採用創新的類比數位轉換架構，透過交流耦合一階差量三角積分（AC-coupled 1^st 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位訊號。超小型通道能直接將輸入訊號進行數位化，可望突破現有技術，打造出更高解析度的生物感測工具。
 
用來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。然而，要在這些性能指標之間做出取捨並不容易。直接數位化（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位轉換，據研究顯示，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。
 
imec此次發表的神經訊號讀取晶片具備增強型數位化性能，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）研究計畫主持人Carolina Mora Lopez表示：「此次開發的電路設計成功整合了交流耦合與直接數位化技術，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43mV_pp，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降低功耗，因為只有交流訊號會進行數位化，因此每通道的總功率僅有8.34 μW。」
 
差量三角積分架構還能實現數位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的技術，就可能把通道尺寸大幅微縮至0.005mm²，並提升訊號品質。
 
Carolina Mora Lopez總結：「此次發表的最新電路設計具備微縮化與高度數位化的特色，能夠縮小晶片尺寸並減少功耗，也展現了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鋪平道路，推進神經科學研究發展。」



Die photo of the 128-channel fabricated readout IC
 

imec 簡介 

比利時微電子研究中心，是在奈米電子與數位科技領域中領先世界的研究與創新中心。憑藉先進研發設備以及5000多名員工和頂尖研究人員組成的團隊，imec的研究技術包括先進半導體和系統微縮技術、矽光子、人工智慧、超5G通信和傳感技術，並延伸其他領域的應用, 如健康與生命科學、交通運輸、工業4.0、農糧產業、智慧城市、永續能源、教育等應用領域。 imec結合了整個半導體核心價值鏈中的先行者、以佛蘭德斯為根基加上國際級科技、製藥、醫療和ICT公司，新創產業以及學術機構和研究中心。 imec的總部位於比利時魯汶，在比利時、荷蘭和美國設有研究機構，並在中國、印度、台灣和日本設有辦事處。 2021年，imec的收益（損益表）總計7.32億歐元。 

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IMEC是IMEC在國際上活動的一個註冊商標（比利時國際跨校微電子研究中心，根據比利時法律所設立為「公用事業基金會」的法律實體），比利時IMEC（IMEC vzw由佛蘭德斯政府資助），荷蘭IMEC（荷蘭IMEC基金會），台灣IMEC（IMEC台灣公司）和中國IMEC（IMEC微電子（上海）有限公司）、印度IMEC（IMEC印度私人有限公司）、舊金山IMEC（IMEC公司）、佛羅里達IMEC（IIMEC美國奈米電子設計中心公司）。
 
 
 
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