技术摘要：
本发明属于集成电路与生物医学领域，具体为一种柔性人工视网膜刺激芯片。该芯片能将光信号转化为电信号并刺激视神经形成视觉，采用柔性薄膜材料制作，适用于人体。电路为一个视网膜刺激单元阵列，包含m行n列的刺激单元、1个数模转换器、2个恒定偏置电路。每个刺激单元  全部
背景技术：
视网膜是人体产生视觉的重要组成部分，光信号经过视网膜的感光细胞和视神经 的处理之后形成视觉神经兴奋，并传输到大脑中枢视神经产生视觉。若视网膜坏死或病变， 将严重影响患者的生活，我国盲人患者有很大一部分都是由于外层视网膜变性引起的疾 病，如视网膜色素变性（RP）和老年性黄斑变性（AMD），通过药物疗法或是外科手术很难将视 力恢复。而通过植入微电子器件来恢复病人的视力是一种潜在的解决办法。在患有视网膜 色素变性和老年性黄斑变性的患者中，尽管感光功能近乎丧失，但内核和活动层细胞依然 有较高的生存率，因此可以用电信号来进行视觉神经刺激使患者产生有效的视觉。人工视 网膜技术是一种用芯片替代丧失视觉功能的外层视网膜细胞的视觉恢复技术。它将生物医 学与微电子技术相结合，用人工视网膜芯片感受外界光信号并产生电流信号刺激视觉神 经，使患者产生部分视觉，已成为生物医学领域的热点研究之一。 目前人工视网膜芯片植入技术的研究思路可以分为两类：视网膜下植入和视网膜 表面植入。视网膜下植入技术是将芯片植入到坏死的感光细胞与内核层细胞之间，芯片内 的微型光电二极管代替感光细胞感受光照，并产生电信号刺激视觉神经细胞产生视觉。但 是这种植入技术存在一些缺点，如要求视网膜神经上皮和视神经功能正常，这致使临床应 用范围有限，此外视网膜营养供给被阻断会使视网膜外层萎缩。视网膜表面植入技术是将 视网膜外部摄像机获得的图像通过芯片调制为电信号并发射，人眼内部对信号进行接收， 并由人工视网膜处理电路将信号进行处理，最终通过神经电刺激阵列对视网膜进行电刺 激，恢复患者的部分视觉。 第一代视网膜芯片利用刺激信号对视神经进行刺激，可以让视网膜受损的盲人看 到影像，但由于芯片只有16个像素的解析度，分辨率太小，因此分辨不了较小的物体。第二 代视网膜芯片的解析度增加到64个像素，分辨率有所提高。当芯片像素达到上千个的时候， 患者将可以拥有阅读报纸的能力。由于技术越来越成熟、芯片的像素越来越高，这将为视障 人士带来极大的便利。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种适用于人体的、高精度的柔性人工视网膜刺激芯片。 本发明提供的柔性人工视网膜刺激芯片，采用柔性薄膜材料制作，适合用于人体， 芯片内集成有8位数模转换器，在不同的光信号下能产生256种不同的输出，调谐精度高。 本发明提供的柔性人工视网膜刺激芯片，其结构如图1所示，电路为一个视网膜刺 激单元阵列，包括m行n列的刺激单元、m行n列的时序控制电路、1个数模转换器、2个恒定偏 置电路；刺激单元阵列的输出电信号经由电极对人体视神经进行刺激以产生视觉；每个刺 4 CN 111603676 A 说　明　书 2/5 页 激单元代表一个像素，采用模拟存储器和时序控制电路对数模转换器的输出信号进行时分 复用，以调节刺激单元中部分晶体管的导通状态，模仿人体对光信号的感知；数模转换器有 8位的分辨率，可以输出256种电流控制信号，控制精度高，并具有两个可调谐矫正晶体管， 对输出电流进行调谐，提高数模转换器的输出精度；2个恒定电流偏置电路为刺激单元部分 晶体管提供恒定偏置；每个刺激单元之间也采用时序控制电路进行时序控制。 本发明中，所述刺激单元由两个栅极偏置电压固定的NMOS晶体管M1和M4，以及两 个栅极偏置电压可调的NMOS晶体管M2和M3相连构成；参见图2所示，晶体管M1的漏极连接电 源VDD，栅极连接固定偏置Vbi，源极连接晶体管M2的漏极；晶体管M2的栅极连接模拟存储器 ARAM1的输出端，源极连接输出电极和晶体管M3的漏极；晶体管M3的栅极连接模拟存储器 ARAM2的输出端，源极连接晶体管M4的漏极；晶体管M4的栅极连接固定偏置Vbd，源极接地；模 拟存储器ARAM1的控制信号与控制信号VCA相连，并连接到时序控制电路的输入端，时序控 制电路的输出端与模拟存储器ARAM2的控制信号输入端相连，模拟存储器ARAM1和ARAM2的 输入端都连接到控制信号VC；所述晶体管M1和M4为光感晶体管，具有光敏特性，栅极分别连 接固定偏置电压，可以把光学信号包括光的强度、光的波长转化为电信号；由于光可以改变 晶体管的阈值电压等参数，使得在固定的偏置电压下晶体管的电流可以随着光信号的变化 而变化；所述晶体管M2和M3为调节晶体管，其栅压由VC控制，VC通过模拟存储器ARAM1和 ARAM2实现时分复用，控制晶体管M2和M3的栅极电压，调节输出电极的刺激强度。 本发明中，所述时序控制电路由4个NMOS晶体管M5、M6、M7、M8构成；参见图3所示， 晶体管M5的漏极连接电源VDD和晶体管M6的漏极，栅极连接控制信号VC1，源极连接晶体管 M7的漏极和晶体管M8的栅极；晶体管M6的栅极连接控制信号VC2，源极连接到时序控制电路 的输出端和晶体管M8的漏极；晶体管M7的栅极连接到时序控制电路的输入端，源极接地；晶 体管M8的源极接地；4个晶体管连接成两级反相单元，构成一个延时电路，以控制电路的工 作时序；在刺激单元中，两个模拟存储器ARAM1和ARAM2交替导通，其导通时序就是时序电路 的控制点；采用多个时序控制电路可以控制芯片各部分的导通时序；m行n列的刺激单元工 作时序就是由多个时序电路控制。 本发明中，所述模拟存储器包括ARAM1和ARAM2，由NMOS晶体管M和电容C构成；参见 图4所示，晶体管M的漏极连接到模拟存储器的输入端，栅极连接控制信号VC，源极连接到模 拟存储器的输出端和电容C的一端，电容C的另一端接地；模拟存储器用于传输并调节刺激 单元中的晶体管M2和M3的栅极控制电压；根据时序控制电路调节，当控制信号为高时，即模 拟存储器的NMOS晶体管M栅极电压为高，晶体管开启，信号从输入节点传输至输出节点，并 对电容C充电；当控制信号为低时，即模拟存储器的NMOS晶体管M栅极电压为低，晶体管关 闭，电容C存储的电荷量变化缓慢，电压基本保持不变，信号锁存于输出端；根据时分复用策 略，刺激单元中晶体管M2和晶体管M3分别串联的模拟存储器ARAM1和ARAM2交替导通，控制 信号VC时分复用地出现在晶体管M2和M3的栅极，以控制晶体管M2和M3的导通状态，从而调 节输出信号，进而控制电极对视神经的刺激。 本发明中，所述数模转换器由2个提供基准电流的NMOS晶体管Mb0和Mb1，8个提供8 位输出电流的NMOS晶体管M9、M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16，2个可调谐的矫正NMOS晶体 管Mcal1和Mcal2构成；参见图5所示，晶体管Mb0的源极接地，漏极与栅极相连，并连接到M9、 M10、M11、M12的栅极和基准电流源I0的一端，I0的另一端连接电源VDD1；电阻R1的一端连接 5 CN 111603676 A 说　明　书 3/5 页 电源VDD2，另一端连接开关SWITCH1、SWITCH2、SWITCH3、SWITCH4的一端和晶体管Mcal1的漏极， 开关SWITCH1的另一端连接晶体管M9的漏极，开关SWITCH2的另一端连接晶体管M10的漏极， 开关SWITCH3的另一端连接晶体管M11的漏极，开关SWITCH4的另一端连接晶体管M12的漏极， 晶体管M9、M10、M11、M12、Mcal1的源极接地，Mcal1的栅极连接调谐矫正电压Vcal1；晶体管Mb1的 源极接地，漏极与栅极相连，并连接到M13、M14、M15、M16的栅极和基准电流源I1的一端，I1的 另一端连接电源VDD1；电阻R2的一端连接电源VDD2，另一端连接开关SWITCH5、SWITCH6、 SWITCH7、SWITCH8的一端和晶体管Mcal2的漏极，开关SWITCH5的另一端连接晶体管M13的漏 极，开关SWITCH6的另一端连接晶体管M14的漏极，开关SWITCH7的另一端连接晶体管M15的漏 极，开关SWITCH8的另一端连接晶体管M16的漏极，晶体管M13、M14、M15、M16、Mcal2的源极接 地，Mcal2的栅极连接调谐矫正电压Vcal2；所述晶体管Mb0和Mb1提供基准电流，8只晶体管M9、 M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16产生8位的输出电流；8位输出电流分别与基准电流成正比 例，比例系数与晶体管尺寸相关；两个可调谐的矫正晶体管Mcal1和Mcal2对输出电流调谐，以 提高数模转换器的输出精度。 本发明芯片可以为视障人士恢复视觉提供帮助。 附图说明 图1为柔性人工视网膜刺激芯片结构示意图。 图2为100模块中刺激芯片单元（Stimulus  Unit）电路示意图。 图3为100模块中时序控制电路（Time  Control）示意图。 图4为200模块中模拟存储器电路（ARAM）示意图。 图5为100模块中数模转换器（DAC）电路示意图。