专利名称：用于人工视觉修复的视网膜电刺激像元电路的制作方法
技术领域：
本发明属于人工视觉功能修复及光电技术，具体涉及一种用于视网膜电刺激从而实现人工视觉修复的光电二极管阵列的像元电路。
背景技术：
人工视觉功能修复技术是一种利用外部植入的光敏器件代替视网膜中受损的光接收器，利用光敏器件产生的电信号去刺激或控制其他外部电信号刺激视网膜细胞，从而让由于视网膜病变致盲的病人产生“光感”。它涉及电子、光学、生物、医学等学科的交叉。近些年来，国际上许多发达国家正在进行人工视觉功能修复方面的课题研究，特别是美国、德国及日本的一些研究机构已经取得了一系列的成果。从已有的研究成果来看，人工视觉功能修复研究方向主要有外层型人工视网膜技术和表层型人工视网膜技术两种。表层型人工视网膜技术具有植入方便的优点，但随着眼外科手术的发展，外层型人工视网膜技术的优势越来越明显，它直接感受外界光信号来刺激视网膜的双极细胞，可以更多的利用保存在病变视网膜中的生物细胞来处理视觉信号。外层型人工视网膜技术的示意如图1所示，图中1是眼外感应线圈，2是射频功率放大电路，3是射频能源输出，4指的是光照，5是导线，6是人工视觉功能修复芯片，7是眼内感应线圈，8是视网膜。在一系列的外层型人工视觉电刺激的试验成功后，外层型人工视网膜技术正朝大规模集成(从而在有限的芯片面积达到更高的图像分辨率)和低功耗(从而利用无线方式传输能源)的方向发展。目前出现的方案中存在像元面积大(由于在光电二极管旁边外加较大电容引起的)，和/或功耗大(由于像元结构引起的)的问题，都还难以满足实际应用，特别是在自然光照条件下应用的要求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于人工视觉修复的视网膜电刺激像元电路，以达到简化像元结构，提高集成度，降低功耗及在自然光照条件下应用的目的。
本发明的技术方案如下本视网膜电刺激像元电路由一个光电二极管、一个具有施密特触发器功能的CMOS反相器、一条反馈回路及一个刺激电极所组成。外界可见光照为光电二极管的输入，在光电二极管上形成光电流，光电二极管的阳极接地，阴极连接具有施密特触发器功能的CMOS反相器的输入端，反馈回路连接于具有施密特触发器功能的CMOS反相器的输出端和光电二极管的阴极之间，具有施密特触发器功能的CMOS反相器的输出端与刺激电极相连，由刺激电极输出视网膜电刺激信号。
其中，具有施密特触发器功能的CMOS反相器由三个NMOS管和三个PMOS管构成，反馈回路由一个NMOS管和一个个PMOS管组成。
本像元电路的工作原理如下当光电二极管没有外界光信号时，像元没有输出(输出为低电平)，加载在光电二极管的反向电压(即光电二极管结电容上的电压)保持在具有施密特触发器功能的CMOS反相器的正向阈值电压VT+；当光电二极管感受外界光照时，光电二极管结电容通过感应的光电流进行放电，当结电容两端的电压下降到具有施密特触发器功能的CMOS反相器的负向阈值电压VT-时，具有施密特触发器功能的CMOS反相器的输出由低电平变为高电平，同时通过反馈回路给光电二极管结电容充电，当结电容两端的电压再次上升到正向阈值电压VT+时，对光电二极管的充电过程结束，具有施密特触发器功能的CMOS反相器的输出由高电平变为低电平，同时通过光电流对光电二极管的结电容放电，如此反复，形成脉冲频率调制的输出。像元电路输出高电平的持续时间就是给光电二极管结电容充电的时间，而像元电路输出低电平的持续时间就是通过光电流给光电二极管结电容放电的时间。所以，随着外界光照的不同，产生的光电流也不一样，像元电路的输出脉冲信号的高电平基本上持续不变而周期随着光强的增大而减小，从而实现了在弱光照时刺激脉冲信号的频率较低，对视网膜细胞的刺激较弱，而随着光照的增强刺激脉冲信号的频率提高，对视网膜细胞的刺激也逐渐增强。并且，产生刺激信号的脉冲持续时间和频率范围可以根据应用要求调节电路参数来实现。这样就实现了对视网膜细胞的有效刺激，从而在病变视网膜上根据外界条件产生不同的“光感”，实现人工视觉功能的修复。
本像元结构的优点主要体现在1、由于没有外加电容及只用单个具有施密特触发器功能的CMOS反相器形成像元的振荡输出，反馈回路也只需两个MOS管，实现光信号控制视网膜刺激信号，所以本像元电路的结构简单，具有像元面积小和功耗低的优点，可以利用有限的人工视网膜芯片产生足够高的图像分辩率，适合大规模集成以实现更高的视觉图像分辩率。
2、由于直接利用外部光信号产生的光电流控制刺激信号以及采用脉冲频率调制的光传感工作方式，一方面，脉冲刺激的是一种对视网膜细胞形成有效刺激的方式，另一方面，它对电源的波动及噪声不敏感，因此像元电路的响应具有较高的线性度和较好的稳定性。
3、由于功耗低及对电源的波动不敏感，可以减低本像元电路对能源供应单元的要求，并且在像元电路中除了电源电压外不需要其他的偏压，很容易以无线电的方式实现能源供应。
4、由于在像元设计时，根据像元的性能要求，电路的参数是针光电二极管对自然光照时对可见光响应度来确定的，所以由本像元电路构成的人工视觉功能修复芯片可以于在自然光照的条件应用，以减小人工视网膜的眼外单元的复杂性。
图1是外层型人工视网膜技术的示意图；图2是本像元电路的原理框图；图3是本像元电路的电路原理图；图4是本像元电路的输出以及通过电极产生在视网膜细胞上的刺激信号示意图；其中图4A1、图4A2和图4A3为不同光电流时像元输出波形；图4B1、图4B2和图4B3为电极-视网膜界面等效电路；图4C1、图4C2和图4C3是视网膜细胞上的刺激信号波形；图5是本像元电路输出信号的频率和脉冲宽度随光电流的变化情况；图6是由本像元电路构成人工视觉修复芯片的结构框图。
具体实施例方式
参见图2，本像元电路由一个光电二极管、一个具有施密特触发器功能的CMOS反相器、一条反馈回路及一个刺激电极所组成，外界可见光照为光电二极管的输入，在光电二极管上形成光电流，光电二极管的阳极接地GND，阴极连接具有施密特触发器功能的CMOS反相器的输入端，反馈回路连接于具有施密特触发器功能的CMOS反相器的输出端和光电二极管的阴极之间，具有施密特触发器功能的CMOS反相器的输出端与刺激电极相连，由刺激电极输出视网膜电刺激信号至视网膜细胞。
图3为本方案的电路原理图，由图可见，本像元电路用了八个MOS管，三个PMOS管M1、M2、M3和三个NMOS管M4、M5、M6构成一个具有施密特触发器功能的CMOS反相器，一个NMOS管M7和另一个PMOS管M8构成对光电二极管结电容充放电的反馈回路。反馈回路中NMOS管的源极、栅极、漏极分别与反馈回路中PMOS管的源极、反相器的输出端、电源相连，反馈回路中PMOS管的栅极、漏极分别与电源地、反相器的输入端相连。
本像元电路的工作方式当外界没有光照时，像元输出为低电平，光电二极管的结电容两端的电压为由M1～M6构成的反向器的正向阈值电压VT+；当像元受到外界光照时，光电二极管产生光电流，并对结电容进行放电，当放电至由M1～M6构成的反向器的负向阈值电压VT-时，像元输出由低电平变为高电平，同时M7导通，电源Vcc通过M7和M8开始对结电容进行充电，充至VT+时，像元输出又变为低电平，M7截止，从而结电容又开始通光电流进行放电，如此循环，形成对视网膜有效的刺激信号。电极与视网膜界面的等效电路为一微分电路，本像元电路的输出以及通过电极产生在视网膜细胞上的刺激信号形式如图4所示，图中，左边部分的图4A1、图4A2和图4A3为不同光电流时像元输出波形，中间部分的图4B1、图4B2和图4B3为电极-视网膜界面等效电路，右边部分的图4C1、图4C2和图4C3是视网膜细胞上的刺激信号波形。可以看出，本像元电路的输出是脉冲波形，随着光电流变化，脉冲的宽度基本不变，而脉冲的周期随着光电流的增大而减小，即频率增大。由于电极-视网膜界面等效为一微分电路，从而在视网膜细胞上形成的刺激信号波形是本像元电路输出信号经过电极-视网膜界面处理后的结果。本像元电路在自然光照情况下的输出信号的频率和脉冲宽度随光电流的变化情况如图5所示。
本像元电路是根据0.6um标准CMOS工艺设计的，具体电路和性能参数如下光电二极管的结构n+/n well/p-sub；光电二极管的面积16um×25um＝400um2；电极面积30um×30um＝900um2；像元面积48um×50um＝2400um2；
像元电路的工作电压2V输出信号频率范围0Hz～900Hz(此范围可根据需要调整)；输出信号脉冲宽度0.3ms(此值可根据需要调整)；像元功耗＜2uW(在外界自然光照情况下)本像元电路在0.6um标准CMOS工艺下的性能与0.35um标准CMOS工艺下同类型的人工视觉功能修复的光电二极管阵列的像元电路相比较，像元面积要小30％以上，功耗要小50％以上。在2mm×2mm的人工视网膜芯片中可集成的像元数超过1500个，整个人工视网膜的功耗不超过3mW，很容易用无线电的方式提供能源，并不会在眼内产生太多的热量导致眼睛不适。本像元电路的设计在工作电压为2V的条件下，但电源电压升高至5V以下时，像元电路一样可以正常工作，只是脉冲宽度会有所减小以及功耗会有所增加。如果采用0.35um或更微细的CMOS工艺，像元的面积和功耗将进一步减小，集成度将更高。
由本像元电路构成的人工视觉功能修复芯片的结构框图如图6所示。该人工视网膜芯片是由本像元电路构成的一个m×n的阵列结构和无线能源接收及处理单元组成，能源由置于眼外射频功率放大单元通过射频能源传输的方式提供。芯片中的每一个像元都具有独立的光感受器件(光电二极管)及刺激信号输出单元(电极)，每个像元输出的刺激信号都只与本身的光感受器所受到光照强度相关，从而可以形成m×n个独立的有效刺激点。
权利要求
1.用于人工视觉修复的视网膜电刺激像元电路，其特征在于由一个光电二极管、一个具有施密特触发器功能的CMOS反相器、一条反馈回路及一个刺激电极所组成；外界可见光照为光电二极管的输入，在光电二极管上形成光电流，光电二极管的阳极接地，阴极连接具有施密特触发器功能的CMOS反相器的输入端，反馈回路连接于具有施密特触发器功能的CMOS反相器的输出端和光电二极管的阴极之间，具有施密特触发器功能的CMOS反相器的输出端与刺激电极相连，由刺激电极输出视网膜电刺激信号。
2.根据权利要求l所述的用于人工视觉修复的视网膜电刺激像元电路，其特征在于具有施密特触发器功能的CMOS反相器由三个NMOS管和三个PMOS管构成，反馈回路由一个NMOS管和一个PMOS管组成，反馈回路中NMOS管的源极、栅极、漏极分别与反馈回路中PMOS管的源极、反相器的输出端、电源相连，反馈回路中PMOS管的栅极、漏极分别与电源地、反相器的输入端相连。
3.根据权利要求1或2所述的用于人工视觉修复的视网膜电刺激像元电路，其特征在于光电二极管的结构是n well/n+/p-sub型，面积为16um×25um＝400um2，刺激电极的面积为30um×30um＝900um2。
4.根据权利要求l或2所述的用于人工视觉修复的视网膜电刺激像元电路，其特征在于像元电路的工作电压为2V，像元面积为48um×50um＝2400um2。
全文摘要
本发明提出一种用于人工视觉修复的视网膜电刺激像元电路，它由一个光电二极管、一个具有施密特触发器功能的CMOS反相器、一条反馈回路及一个刺激电极所组成。外界可见光照为光电二极管的输入，在光电二极管上形成光电流，光电二极管的阳极接地，阴极连接具有施密特触发器功能的CMOS反相器的输入端，反馈回路连接于具有施密特触发器功能的CMOS反相器的输出端和光电二极管的阴极之间，具有施密特触发器功能的CMOS反相器的输出端与刺激电极相连，由刺激电极输出视网膜电刺激信号。具有施密特触发器功能的CMOS反相器由三个NMOS管和三个PMOS管构成，反馈回路由一个NMOS管和一个PMOS管组成。本像元电路具有结构简单，像元面积小和功耗低，线性度高和稳定性好的优点。
文档编号A61F9/00GK1806865SQ200510057448
公开日2006年7月26日 申请日期2005年12月17日 优先权日2005年12月17日
发明者袁祥辉, 饶程, 张思杰, 孟丽娅 申请人:重庆大学