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维戈塞尔塔对皇家社会: 信號檢測裝置、信號檢測方法、以及信號檢測裝置的制造方法.pdf

摘要
申請專利號:

维戈塞尔塔vs皇家社会 www.vmyqew.com.cn CN201480018874.8

申請日:

20140214

公開號:

CN105263404A

公開日:

20160120

當前法律狀態:

有效性:

有效

法律詳情:
IPC分類號: A61B5/0408,A61B5/0478,A61B5/0488,A61B5/0492 主分類號: A61B5/0408,A61B5/0478,A61B5/0488,A61B5/0492
申請人: 國立研究開發法人科學技術振興機構
發明人: 更田裕司,高宮真,櫻井貴康,關谷毅,染谷隆夫
地址: 日本埼玉縣
優先權: 2013-028289
專利代理機構: 中科專利商標代理有限責任公司 代理人: 李逸雪
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201480018874.8

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

一種信號檢測裝置,具有:多個電極,配置為與產生信號的被檢體相接;選擇部,其根據選擇信號,擇一地選擇所述多個電極上的信號;放大部,其對通過所述選擇部選擇出的信號進行放大;和基體,其形成所述多個電極、所述選擇部和所述放大部且具有柔軟性,所述放大部以與所述多個電極以及所述選擇部呈層疊構造的方式形成在所述基體上。

權利要求書

1.一種信號檢測裝置,具有:多個電極,配置為與產生信號的被檢體相接;選擇部,其根據選擇信號,擇一地選擇所述多個電極上的信號;放大部,其對通過所述選擇部選擇出的信號進行放大;和基體,其形成所述多個電極、所述選擇部和所述放大部且具有柔軟性,所述放大部以與所述多個電極以及所述選擇部呈層疊構造的方式形成在所述基體上。2.根據權利要求1所述的信號檢測裝置,其特征在于,所述選擇部由與所述多個電極對應地設置的多個源極跟隨器電路構成,所述多個源極跟隨器電路根據所述選擇信號而擇一地被激活。3.根據權利要求2所述的信號檢測裝置,其特征在于,所述多個源極跟隨器電路分別具有:第1晶體管,其柵極與所述多個電極的任一個連接,漏極與規定的固定電位節點連接;和第2晶體管,其連接在所述第1晶體管的源極與負載電流源之間,且向柵極提供所述選擇信號。4.根據權利要求2或3的任一項所述的信號檢測裝置,其特征在于,所述放大部具有:電容器,其具有共同與所述多個源極跟隨器電路的輸出部連接的第1電極;和放大器,其輸入部與所述電容器的第2電極連接。5.根據權利要求1~4的任一項所述的信號檢測裝置,其特征在于,所述放大部具有:晶體管組,用于調整所述放大器的電特性,形成所述晶體管組的一部分晶體管被選擇性地并聯連接,以使得到所希望的電特性。6.根據權利要求1~5的任一項所述的信號檢測裝置,其特征在于,將所述多個電極、所述選擇部和所述放大部作為一個塊而具有以矩陣狀配置的多個塊,所述信號檢測裝置還具有:選擇部,其用于選擇所述多個塊各自所具有的所述放大部的輸出信號。7.一種信號檢測方法,包括:選擇階段,選擇部根據選擇信號,擇一地選擇配置為與產生信號的被檢體相接的多個電極上的信號;和放大階段,放大部在所述選擇階段,對通過所述選擇部選擇出的信號進行放大,在具有柔軟性的基體上形成所述多個電極、所述選擇部和所述放大部,所述放大部以與所述多個電極以及所述選擇部呈層疊構造的方式形成在所述基體上。8.一種信號檢測裝置的制造方法,該信號檢測裝置具有:多個電極,配置為與產生信號的被檢體相接的多個電極;選擇部,其根據選擇信號,擇一地選擇所述多個電極上的信號;放大部,其對通過所述選擇部選擇出的信號進行放大;和基體,其形成所述多個電極、所述選擇部和所述放大部且具有柔軟性,該信號檢測裝置的制造方法包括:在所述基體上形成所述多個電極以及所述選擇部的階段;和將所述放大部以與所述多個電極以及所述選擇部呈層疊構造的方式形成在所述基體上的階段。

說明書

技術領域

本發明涉及用于檢測信號的信號檢測裝置、信號檢測方法、以及信號檢測裝置的制造方法。

本申請基于2013年2月15日在日本申請的專利2013-028289號而主張優先權,在此援引其內容。

背景技術

以往,例如作為用于檢測生物體信號的裝置而公知心電圖掃描儀或腦電圖儀等信號檢測裝置(專利文獻1)。通常,在這種信號檢測裝置中,通過由差動放大器對被檢體的生物體中安裝的一對電極信號的差分進行放大,來消除該信號中所包含的同相的噪聲分量,從而獲取SN比較高的檢測信號。

現行技術文獻

專利文獻

JP特開平6-197877號公報

非專利文獻

非專利文獻1:T.Yokota,etal.,“Sheet-TypeOrganicActiveMatrixAmplifierSystemUsingVth-Tunable,Pseudo-CMOSCircuitswithFloating-GateStructure,”IEEEInternationalElectronDevicesMeeting,pp.335-338,Dec.2011.

發明內容

所要解決的技術問題

然而,根據上述現有技術,由于電極與差動放大器經由布線電纜連接,因此,在布線電纜上有混入噪聲的可能性,檢測信號的SN比的改善有限。此外,即使將電極與差動放大器進行一體化,以高密度二維狀配置電極也是困難的。因此,高精度獲取生物體信號的分布是困難的。

作為與具有以二維狀配置的電極的信號檢測裝置相關的技術,有在板狀的基體上將多個電極與多個放大器進行層疊化的技術(非專利文獻1)。然而,根據該技術,由于需要按照每個電極來配置放大器,因此即使僅對電極進行小型化,在與放大器的配置的關系上,限制電極的配置間距,對電極密度的改善有限。

本發明鑒于上述情況,其目的在于,提供能夠在改善檢測信號的SN比的同時,以高密度配置電極的信號檢測裝置、信號檢測方法、以及信號檢測裝置的制造方法。

為了解決上述問題,本發明的一個方式的信號檢測裝置,具有:多個電極,配置為與產生信號的被檢體相接;選擇部,其根據選擇信號,擇一地選擇所述多個電極上的信號;放大部,其對通過所述選擇部選擇出的信號進行放大;和基體,其形成所述多個電極、所述選擇部和所述放大部且具有柔軟性,所述放大部以與所述多個電極以及所述選擇部呈層疊構造的方式形成在所述基體上。

在上述信號檢測裝置中,例如,所述選擇部由與所述多個電極對應地設置的多個源極跟隨器電路構成,所述多個源極跟隨器電路根據所述選擇信號而擇一地被激活。

在上述信號檢測裝置中,例如,所述多個源極跟隨器電路分別具有:

第1晶體管,其柵極與所述多個電極的任一個連接,漏極與規定的固定電位節點連接;和

第2晶體管,其連接在所述第1晶體管的源極與負載電流源之間,且向柵極提供所述選擇信號。

在上述信號檢測裝置中,例如,所述放大部具有:電容器,其具有共同與所述多個源極跟隨器電路的輸出部連接的第1電極;和放大器,其輸入部與所述電容器的第2電極連接。

在上述信號檢測裝置中,例如,所述放大部具有:晶體管組,用于調整所述放大器的電特性,形成所述晶體管組的一部分晶體管被選擇性地并聯連接,以使得到所希望的電特性。

在上述信號檢測裝置中,例如,將所述多個電極、所述選擇部和所述放大部作為一個塊而具有以矩陣狀配置的多個塊,該信號檢測裝置還具有:選擇部,其用于選擇所述多個塊各自所具有的所述放大部的輸出信號。

為了解決上述問題,本發明的一個方式的信號檢測方法,包括:選擇階段,選擇部根據選擇信號,擇一地選擇配置為與產生信號的被檢體相接的多個電極上的信號;和放大階段,放大部在所述選擇階段,對通過所述選擇部選擇出的信號進行放大,在具有柔軟性的基體上形成所述多個電極、所述選擇部和所述放大部,所述放大部以與所述多個電極以及所述選擇部呈層疊構造的方式形成在所述基體上。

為了解決上述問題、本發明的一個方式的信號檢測裝置的制造方法,該信號檢測裝置具有:多個電極,配置為與產生信號的被檢體相接的多個電極;選擇部,其根據選擇信號,擇一地選擇所述多個電極上的信號;放大部,其對通過所述選擇部選擇出的信號進行放大;和基體,其形成所述多個電極、所述選擇部和所述放大部且具有柔軟性,該信號檢測裝置的制造方法包括:在所述基體上形成所述多個電極以及所述選擇部的階段;和將所述放大部以與所述多個電極以及所述選擇部呈層疊構造的方式形成在所述基體上的階段。

發明效果

根據本發明的一個方式,由于構成為對二維狀配置的多個電極和放大器進行層疊化,并將多個電極選擇性地與放大器連接,因此,能夠改善檢測信號的SN比,并能夠高密度地配置多個電極。

附圖說明

圖1是概略性表示本發明的實施方式的信號檢測裝置的構成例的方框圖。

圖2是表示本發明的實施方式的信號檢測裝置具備的信號檢測部的構成例的方框圖。

圖3是表示本發明的實施方式的信號檢測部具備的電極信號選擇部的構成例的電路圖。

圖4是表示本發明的實施方式的信號檢測部具備的放大部的構成例的電路圖。

圖5是示意性表示本發明的實施方式的信號檢測裝置的設備構造(整體)的圖。

圖6是示意性表示本發明的實施方式的信號檢測裝置的設備構造(截面)的圖。

圖7是表示本發明的實施例的45mm×40mm的64通道SEMS的照片的圖。

圖8是使用本發明的實施例的DSA架構的SEMS的電路圖。

圖9是用于說明本發明的實施例的放大器陣列用的降低晶體管不匹配技術的構成的圖。

圖10是用于說明本發明的實施例的放大器陣列用的降低晶體管不匹配技術的效果的圖。

圖11是在本發明的實施例的SEMS中所使用的僅pMOS的放大器的電路圖。

圖12是表示具有本發明的實施例的有機放大器的表面EMG的測定系的設定與測定波形的圖。

圖13是表示本發明的實施例的有機放大器的照片的圖。

具體實施方式

[結構的說明]

圖1是概略性表示本發明的實施方式的信號檢測裝置1的構成例的方框圖。本實施方式的信號檢測裝置1用于檢測從生物體等被檢體產生的微弱電信號,具有:m行n列(m,n是2以上的自然數)的矩陣狀配置的多個信號檢測部F1,1~Fm,n;多個檢測信號選擇部GS1~GSn;多個本地字線LWL1~LWL4m;以及多個全局字線GWL1~GWLm。信號檢測部F1,1~Fm,n用于檢測并放電被檢體產生的生物體信號,如后所述,具有4個電極,且構成為選擇性地放大經由各電極而輸入的生物體信號。檢測信號選擇部GS1~GSn選擇由信號檢測部F1,1~Fm,n檢測出的檢測信號S1,1~Sm,n之中的1行的信號,以作為輸出信號G1~Gn進行輸出。

以下,在總稱信號檢測部F1,1~Fm,n時,使用符號“F”,在總稱檢測信號選擇部GS1~GSn時,使用符號“GS”,在總稱本地字線LWL1~LWL4m時,使用符號“LWL”,在總稱全局字線GWL1~GWLm時,使用符號“GWL”,在總稱檢測信號S1,1~Sm,n時,使用符號“S”,在總稱輸出信號G1~Gn時,使用符號“G”。

此外,在本實施方式中,假設生物體作為被檢體,但本實施方式的信號檢測裝置1并不局限于生物體,而能夠將任意對象物作為被檢體來檢測微弱的信號。例如,信號檢測裝置1也能夠應用在檢測工業產品的表面的信號分布、或在液體、空間中的電位分布等的用途中。

在以矩陣狀配置的信號檢測部F1,1~Fm,n之中,第1列信號檢測部F1,1~Fm,1的各輸出部與檢測信號選擇部GS1連接,第2列信號檢測部F1,2~Fm,2的各輸出部與檢測信號選擇部GS2連接。以下同樣地,第n列信號檢測部F1,n~Fm,n的各輸出部與檢測信號選擇部GSn連接。多個全局字線GWL1~GWLm共同與檢測信號選擇部GS1~GSn連接。其中,全局字線GWL1用于選擇從第1行信號檢測部F1,1~F1,n輸出的檢測信號S1,1~S1,n。全局字線GWL2用于選擇從第2行信號檢測部F2,1~F2,n輸出的檢測信號S2,1~S2,n。以下同樣地,全局字線GWLm用于選擇從第m行信號檢測部Fm,1~Fm,n輸出的檢測信號Sm,1~Sm,n。

此外,在以矩陣狀配置的信號檢測部F1,1~Fm,n之中,在第1行信號檢測部F1,1~F1,n上共同連接了本地字線LWL1~LWL4,在第2行信號檢測部F2,1~F2,n上共同連接了本地字線LWL5~LWL8。以下同樣地,在第m行信號檢測部Fm,1~Fm,n上共同連接了本地字線LWL4m-3~LWL4m。本地字線LWL1~LWL4m用于選擇信號檢測部F各自具有的4個電極,對于其細節將在后面描述。

圖2是表示圖1所示的信號檢測部F1,1的構成例的方框圖。

在本實施方式中,信號檢測部F1,1~Fm,n全部具有相同的構成。如圖2所示,信號檢測部F1,1具有:由4個電極1001~1004構成的電極組100;電極信號選擇部200;以及放大部300。4個電極1001~1004配置為與產生生物體信號的被檢體(未圖示)相接,從被檢體對電極1001~1004施加生物體信號(電信號)。該生物體信號經由電極提供給電極信號選擇部200作為電極信號。

電極信號選擇部200根據經由本地字線LWL1~LWL4提供的選擇信號,擇一地選擇經由電極1001~1004輸入的電極信號(生物體信號)。此外,并不限定于該例,電極信號選擇部200也可以設為選擇電極1001~1004上的各生物體信號的任意組合。例如,通過組合經由本地字線LWL1~LWL4提供的選擇信號的信號電平,而可以設為選擇電極1001~1004所有的電極上的生物體信號,此外,例如,也可以設為選擇電極1001上的生物體信號與電極1003上的生物體信號的組合。此外,能夠將電極1001~1004上的所有生物體信號設為非選擇。

圖3是表示電極信號選擇部200的構成例的電路圖。電極信號選擇部200由圖2所示的與4個電極1001~1004對應而設置的4個源極跟隨器電路2101~2104、和一個負載電流源220構成。其中,源極跟隨器電路2101由有機晶體管的pMOS晶體管211、212構成。具體而言,構成源極跟隨器電路2101的pMOS晶體管211的源極,與成為電極信號選擇部200的輸出部的節點N200連接,其柵極連接了本地字線LWL1。pMOS晶體管211的漏極與pMOS晶體管212的源極連接。pMOS晶體管212的柵極與電極1001連接,其漏極與規定的固定電位節點(例如接地節點)連接。此外,規定的固定電位節點并不局限于接地節點,只要是能夠賦予裝置的殼體或被檢體的一部份等用于檢測生物體信號的基準電位的節點,就為任意。

其它源極跟隨器電路2102~2104也與上述源極跟隨器電路2101同樣地構成。其中,在構成源極跟隨器電路2102~2104的pMOS晶體管之中,相當于上述源極跟隨器電路2101的pMOS211的晶體管的柵極,分別與本地字線LWL2~LWL4連接。此外,在構成源極跟隨器電路2102~2104的pMOS晶體管之中,相當于上述源極跟隨器電路2101的pMOS晶體管212的晶體管的柵極,分別與電極1002~1004連接。源極跟隨器電路2101~2104根據經由本地字線LWL1~LWL4提供的選擇信號,來擇一地被激活。

此外,在本實施方式中,由4個電極1001~1004構成電極組100,且具有與這些電極1001~1004對應的4個源極跟隨器電路2101~2104,但不限定于該例,構成電極組100的電極的個數是任意的,可以根據電極的個數來確定源極跟隨器電路的個數。

負載電流源220由有機晶體管的pMOS晶體管221構成。具體而言,構成負載電流源220的pMOS晶體管221的源極與電源節點連接,對該柵極施加了規定的偏壓電壓Vbias。偏壓電壓Vbias,例如設定為pMOS晶體管221在飽和區域進行動作。由此,pMOS晶體管221作為大致的恒流源而發揮功能。pMOS晶體管221的漏極和上述源極跟隨器電路2101~2104的各輸出部一起連接于電極信號選擇部200的輸出部的節點N200。由此,負載電流源220作為源極跟隨器電路2101~2104的負載而發揮功能。

在本實施方式中,圖1所示的生物體信號選擇部GS1~GSn也與電極信號選擇部200同樣地使用源極跟隨器電路而構成。其中,生物體信號選擇部GS1~GSn作為相當于圖3所示的4個源極跟隨器電路2101~2104的要素,而具有m個源極跟隨器電路。此外,在各生物體信號選擇部具有的m個源極跟隨器電路的各個中,在相當于圖3的pMOS晶體管211的晶體管柵極上連接了全局字線GWL1~GWLm的某一個。此外,在各生物體信號選擇部具有的m個源極跟隨器電路的各個中,對相當于圖3的pMOS晶體管的晶體管柵極提供來自各信號檢測部F的檢測信號S的某一個。例如,在生物體信號選擇部GS1中,對相當于圖3的pMOS晶體管212的晶體管柵極提供來自第1列信號檢測部F1,1~Fm,1的檢測信號S1,1~Sm,1的某一個。對于其細節將在后述的實施例中表示。

返回圖2進行說明。電極信號選擇部200的輸出部與放大部300的輸入部連接。放大部300對由電極信號選擇部200選擇出的生物體信號進行放大。

圖4是表示放大部300的構成例的電路圖。放大部300具有:用于阻斷經由輸入端子TIN而輸入的輸入信號的直流分量的電容器310;和用于放大輸入信號的交流分量的放大器320。電容器310的一個電極與輸入端子TIN連接,其另一個電極與放大器320的輸入部連接。

放大器320具有用于調整其電特性(例如增益)的晶體管組,作為該晶體管組的一部分的晶體管,例如,通過事后的加工處理等而選擇性地并聯連接成得到所希望的電特性。具體而言,放大器320具有作為有機晶體管的k個(k是2以上的自然數)pMOS晶體管3211~321k、負載322和電阻323構成為所謂單端型放大器。其中,pMOS晶體管3211~321k構成用于調整放大器320的電特性的晶體管組。此外,在放大器320中,通過事后的加工處理等而設置了用于選擇性并聯連接pMOS晶體管3211~321k中的一部分的晶體管的布線形成區域3241~324k、3251~325k。

在本實施方式中,作為用于檢測信號的前階段,而評價pMOS晶體管3211~321k的各特性。然后,根據該評價結果,選擇性并聯連接pMOS晶體管3211~321k,以得到所希望的電特性。例如,評價的結果是,并聯連接了pMOS晶體管3211與pMOS晶體管321k時的放大器320的電特性,比通過其它某些晶體管的組合得到的特性更接近于作為目標的電特性,通過在布線形成區域3241、324k和布線形成區域3251、325k形成布線,在電源節點與輸出端子TOUT之間,并聯連接pMOS晶體管3211與pMOS晶體管321k。如此,通過從多個pMOS晶體管3211~321k之中選擇合適的組合來降低由pMOS晶體管的特性引起的放大器320的電特性的偏差。

此外,并不限定于上述示例,放大部300的電路構成是任意的,例如,能夠使用非專利文獻1所公開的疑似CMOS變換器。在后述的實施例中,采用了使用AC耦合負載的變換器作為放大器,其細節將在后面進行描述。

本地字線LWL1~LWL4m、全局字線GWL1~GWLm、檢測信號選擇部GS1~GSn的各輸出部分別經由合適的接口與外部信息處理裝置(例如電腦)連接。當然,并不限定于該示例,例如,也可以在信號檢測裝置1中具有用于選擇本地字線LWL1~LWL4m以及全局字線GWL1~GWLm的解碼器或移位寄存器等。

在本實施方式中,如下所述,電極1001~1004、電極信號選擇部200、放大部300形成在具有柔軟性的基體上。其中,電極1001~1004以及電極信號選擇部200形成于上述基體的一個面側,放大部300以與電極1001~1004以及電極信號選擇部200形成層疊構造的方式與圖1所示的檢測信號選擇部GS1~GSn一起形成于上述基體的內部或另一個面側。也就是說,放大部300以與電極1001~1004以及電極信號選擇部200形成層疊構造的方式,形成于與形成這些電極1001~1004以及電極信號選擇部200的層不同的上述基體的層。

此外,在本實施方式中,電極1001~1004以及電極信號選擇部200形成于上述基體的一個面側,放大部300形成于上述基體的內部或另一個面側,但只要電極1001~1004以及電極信號選擇部200形成層疊構造,則這些要素能夠任意配置在上述基體上。此外,對不同用途而言,上述基體不需要一定具有柔軟性。

如上所述,本實施方式的信號檢測裝置1,將由電極1001~1004、電極信號選擇部200、放大部300構成的信號檢測部F作為一個信號檢測塊,而具有以矩陣狀配置的多個信號檢測塊。除此之外,信號檢測裝置1還具有用于選擇來自上述各個信號檢測塊的檢測信號的檢測信號選擇部GS1~GSn。在此,根據本實施方式的塊構成,例如,在圖3所示的電極信號選擇部200中,負載電流源220由4個源極跟隨器電路2101~2104共有,在檢測信號選擇部GS1~GSn中也同樣。因此,根據本實施方式的塊構成,能夠在電路的構成上抑制信號布線數,且以簡易的結構經由多數個電極來檢測生物體信號。

此外,在本實施方式中,信號檢測裝置1構成為具有上述多個信號檢測塊,但也可以將構成各信號檢測塊的信號檢測部F1,1~Fm,n各自作為單體的信號檢測裝置。此時的信號檢測裝置構成為具有:電極組100;電極信號選擇部200;放大部300;以及形成它們的具有柔軟性的基體。

接著,參照圖5以及圖6來說明信號檢測裝置1的設備構造。

圖5是示意性表示信號檢測裝置1的設備構造(整體)的圖。如該圖所示,信號檢測裝置1大致由第1電路層1020、第2電路層1030、各向異性導電性片構成的導電層1040構成,第1電路層1020和第2電路層1030具有隔著導電層1040以大致片狀呈一體層疊的層疊構造。在本實施方式中,各向異性導電性片,例如,由在絕緣性較高的粘接劑中均勻分散了導電粒子的材料構成,且能夠留用在液晶顯示器等電子部件中為了電連接電極間而使用的各向異性導電性片。

各向異性導電性片,除了大致片狀以外,也可以在例如第1電路層1020與第2電路層1030之間需要電連接的端子部,以補片(patch)狀局部層疊各向異性導電性片。此時,可以在補片狀的各向異性導電性片外的第1電路層1020與第2電路層1030之間,并排放置用于提高這些電路層的層疊強度的粘接層。

在此,第1電路層1020是將由上述電極1001~1004構成的電極組100和電極信號選擇部200,以與信號檢測部F1,1~Fm,n對應的方式按矩陣狀多個配置而成的電路層。此外,第2電路層1030是將構成上述各個信號檢測部F1,1~Fm,n的放大部300和檢測信號選擇部GS1~GSn,以與信號檢測部F1,1~Fm,n對應的方式按矩陣狀多個配置而成的電路層。在本實施方式中,本地字線LWL1~LWL4m形成在第1電路層1020,全局字線GWL1~GWLm,形成在第2電路層1030。當然,并不限定于該例,本地字線LWL1~LWL4m與全局字線GWL1~GWLm可以形成在任一個電路層。

圖6是示意性表示信號檢測裝置1的設備構造(截面)的圖。如該圖所示,第1電路層1020以及第2電路層1030隔著由各向異性導電性片構成的導電層1040而層疊。

對于各電路層,具體而言,第1電路層1020由具有可撓性的基體即聚酰亞胺層1021(例如,膜厚1.2μm)、作為布線的金屬層1022(例如,膜厚30nm的Al)、作為構成圖2所示的電極信號選擇部200的有機晶體管(pMOS晶體管)的柵極絕緣膜的AlOx/SAM層1023(例如,膜厚4nm的AlOx+膜厚2nm的SAM)、作為上述有機晶體管的柵極電極的鋁層1024(例如,膜厚30nm)、作為上述有機晶體管的溝道形成層的有機半導體層1025(例如,膜厚30nm)、成為上述有機晶體管的源極-漏極電極的金屬層1026(Au)、鍍膜(聚對二甲苯(parylen))層1027(例如,膜厚2μm)、與布線連接的金屬層1028、1029(Au)構成。在此,金屬層1029是相當于構成圖2所示的電極組100的電極1001~1004的要素。金屬層1028以及金屬層1029分別從第1電路層1020的下表面以及上表面露出。

作為構成第1電路層1020的具有可撓性(柔軟性)的基體,除了聚酰亞胺層以外,還可以列舉:聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜、聚醚醚酮(PEEK)膜、對位二甲苯系聚合物膜、以及為了對這些有機膜賦予氣阻性而層疊SiO2或SiN等的無機薄膜而成的復合膜等。

第2電路層1030由具有可撓性的基體即聚酰亞胺層1031(例如,膜厚1.2μm)、作為構成圖2所述的放大部300的有機晶體管(pMOS晶體管)的柵極電極的鋁層1032(例如,膜厚30nm)、作為上述有機晶體管的柵極絕緣膜的AlOx/SAM層1033(例如,膜厚4nm的AlOx+膜厚2nm的SAM)、作為上述有機晶體管的溝道形成層的有機半導體層1034(例如,膜厚30nm)、作為上述有機晶體管的源極-漏極電極的金屬層1035(Au)、聚對二甲苯(parylen)層1036(例如,膜厚2μm)、與上述有機晶體管的源極-漏極電極連接的金屬層1037(Au)構成。金屬層1037在第2電路層1030的上表面露出。

作為構成第2電路層1030的具有可撓性(柔軟性)的基體,除了聚酰亞胺層以外,還可以列舉:聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜、聚醚醚酮(PEEK)膜、對位二甲苯系聚合物膜、以及為了對這些有機膜賦予氣阻性而層疊SiO2或SiN等的無機薄膜而成的復合膜等。

若由相同原材料構成第1電路層1020的基體與第2電路層1030的基體,則能使熱應變一致,能夠降低第1電路層1020與第2電路層1030的層疊基體的翹曲的發生,故而優選。此外,第1電路層1020的基體與第2電路層1030的基體的各自厚度,優選呈具有柔軟性的薄膜。各個基體的具體厚度為75μm以下,優選為25μm以下,更優選為10μm以下且1μm以上。

第1電路層1020與第2電路層1030隔著導電層1040而層疊,由此,使在第2電路層1030的上表面形成的金屬層1037與第1電路層1020的下表面所形成的金屬層1028電連接。在本實施方式中,通過經由導電層1040電連接金屬層1037與金屬層1028,而使圖2所示的電極信號選擇部200的輸出部與放大部300的輸入部連接。

此外,在圖6所示的信號檢測裝置1的設備構造中,在形成上述電極組100和電極信號選擇部200的第1電路層1020的下層側,配置有形成放大部300和檢測信號選擇部GS1~GSn的第2電路層1030。在此,根據本實施方式的上述設備構造,針對形成于第2電路層1030的1個放大部300,層疊形成于第1電路層1020的4個電極1001~1004。因此,能夠縮小電極1001~1004的各尺寸和配置間隔,能夠對1個放大部配置4個電極。因此,與前述非專利文獻1的技術相比,能夠使電極密度為4倍。此外,在第1電路層1020,與電極1001~1004一起形成了由源極跟隨器電路2101~2104構成的電極信號選擇部200,因此,能夠縮短電極1001~1004上的生物體信號輸入至電極信號選擇部200的布線路徑。因此,能夠有效抑制信號路徑中的針對生物體信號的雜音信號的重疊,能夠改善檢測信號的SN比。因此,根據本實施方式的上述設備構造,能夠詳細并且穩定地檢測生物體信號的分布。

此外,在本實施方式中,用于從外部取出在第2電路層1030所形成的圖1的檢測信號選擇部GS1~GSn的輸出信號G1~Gn的布線(未圖示),從第2電路層1030的下面側引出。此外,包括本地字線LWL以及全局字線GWL的控制用的所有布線也從第2電路層1030的下面側引出。由此,能夠防止從信號檢測裝置1向外部引出的布線與被檢體的接觸。

[動作的說明]

接著,對本實施方式的信號檢測裝置1的動作進行說明。

信號檢測裝置1作為檢測人的手腕的表面肌電信號(生物體信號)的裝置,而以使分別構成信號檢測部F1,1~Fm,n的電極1001~1004與手腕的表面相接的方式安裝于信號檢測裝置1。其中,為了說明的簡化,針對經由構成信號檢測部F1,1的電極1001來檢測表面肌電信號的情況進行說明。此時,全局字線GWL1~GWLm上的各選擇信號的信號電平,設定為由檢測信號選擇部GS1~GSn選擇第1行信號檢測部F1,1~F1,n的檢測信號S1,1~S1,n。具體而言,全局字線GWL1的信號電平設定為邏輯電平“0”,其它全局字線GWL2~GWLm的各信號電平設定為邏輯電平“1”。此外,本地字線LWL1~LWL4上的各選擇信號的信號電平設定為由構成第1行信號檢測部F1,1~F1,n的各個電極信號選擇部200僅選擇經由電極1001所輸入的信號。具體而言,本地字線LWL1的信號電平設定為邏輯電平“0”,本地字線LWL2、LWL3、LWL4的各信號電平設定為邏輯電平“1”。

此外,在本實施方式中,設定本地字線LWL5~LWL4m的各信號電平,以使經由構成第2行~第m行的各信號檢測部的電極1001~1004所輸入的表面肌電信號設為非選擇狀態。當然,并不局限于該例,盡管對于第2行~第m行信號檢測部,也可以與第1行信號檢測部同樣地發揮功能,但從檢測信號選擇部GS1~GSn最終作為信號G1~Gn而輸出的檢測信號是通過檢測信號選擇部GS1~GSn選擇的1行檢測信號。

如上述那樣,若設定本地字線LWL1~LWL4m以及全局字線GWL1~GWLm上的各選擇信號的信號電平,則將從手腕的筋肉產生的表面肌電信號經由構成信號檢測部F1,1的電極1001~1004而作為電極信號輸入到電極信號選擇部200。電極信號選擇部200根據本地字線LWL1~LWL4上的各信號電平,選擇經由電極1001作為電極信號而輸入的表面肌電信號,作為電極信號S200來進行輸出。

具體而言,如前所述,由于本地字線LWL1的信號電平被設定為“0”,因此,構成源極跟隨器電路2101的pMOS晶體管211控制為導通狀態。由此,pMOS晶體管212的源極經由pMOS晶體管211而與節點N200電連接。

另一方面,經由電極1001作為電極信號而輸入的表面肌電信號被施加到源極跟隨器電路2101的pMOS晶體管212的柵極。此時,pMOS晶體管212的源極電壓,通過負載電流源220的pMOS晶體管221,經由pMOS晶體管211,被驅動為比pMOS晶體管212的柵極電位高該pMOS晶體管212的柵極閾值電壓VT的電壓。若換言之,通過負載電流源220的pMOS晶體管221驅動的pMOS晶體管212的源極電壓(=pMOS晶體管211的源極電壓)被鉗位成比pMOS晶體管212的柵極電位高pMOS晶體管212的柵極閾值電壓VT的電壓。由此,源極跟隨器電路2101,將追隨經由電極1001輸入的表面肌電信號的電壓信號作為電極信號S200而經由節點N200來進行輸出。其結果是,電極信號選擇部200將分別經由電極1001~1004而作為電極信號輸入的表面肌電信號之中經由電極1001而輸入的電極信號選擇性地作為電極信號S200來進行輸出。

從源極跟隨器電路2101輸出的電極信號S200,作為電極信號選擇部200的輸出信號提供給放大部300的輸入部。放大部300,將由電極信號選擇部200提供的電極信號S200放大,并輸出檢測信號S1,1。從該放大部300輸出的檢測信號S1,1,作為信號檢測部F1,1的輸出信號被提供給檢測信號選擇部GS1。檢測信號選擇部GS1根據與電極信號選擇部200同樣的工作原理,選擇從信號檢測部F1,1提供的檢測信號S1,1并作為輸出信號G1進行輸出。從其它檢測信號選擇部GS2~GSn也同樣地分別輸出輸出信號G2~Gn。

生物體信號選擇部GS1~GSn的輸出信號G1~Gn被輸入未圖示的外部信息處理裝置,該外部信息處理裝置通過對所輸入的信號實施規定的信號處理,而生成來自各信號檢測部的檢測信號的強度分布。例如,外部信息處理裝置采樣來自各信號檢測部的檢測信號并轉換成數字信號,生成來自第1行的信號檢測部F1,1~F1、n的各檢測信號的強度分布(信號強度的二維分布)并在顯示部(未圖示)進行顯示。同樣地,對其它行的信號檢測部實施掃描,得到來自所有信號檢測部F1,1~Fm,n的檢測信號的強度分布。根據由上述掃描得到的強度分布,操作系統能夠確定表示異常的信號強度的發生部位。當然,不限定于該示例,信號強度的顯示方式是任意的。

根據上述本實施方式的信號檢測裝置1的電路構成,在信號檢測部F1,1中從源極跟隨器電路2101作為電極信號S200而輸出的電壓信號的振幅停留在與該源極跟隨器電路2101的輸入信號即經由電極1001施加給pMOS晶體管212的柵極的表面肌電信號(生物體信號)大致相同的振幅。然而,由于源極跟隨器電路2101的輸出阻抗充分小于產生表面肌電信號的生物體(人的手腕)的阻抗,因此,從源極跟隨器電路2101輸入放大部300的電極信號S200難以受到周圍的噪聲的影響。此外,由于選擇從信號檢測部F1,1輸出的電極信號S200的檢測信號選擇部GS1也與電極信號選擇部200同樣地由源極跟隨器電路構成,因此,檢測信號選擇部GS1的輸出信號G1也難以受到周圍的噪聲的影響。因此,根據本實施方式,能夠有效改善檢測信號的SN比,能夠高精度地檢測生物體信號。此外,如上所述,根據本實施方式,由于將由電極1001~1004、電極信號選擇部200以及放大部300構成的信號檢測部F作為一個信號檢測塊而具有以矩陣狀配置的多個信號檢測塊,因而,能夠抑制信號布線數。因此,能夠抑制布線間的串擾等的影響,能夠更進一步高精度地檢測生物體信號。

此外,根據上述本實施方式的信號檢測裝置1的設備構造,能夠提高電極密度,并能夠將從電極1001~1004至放大部300的信號路徑抑制得較短。由此,能夠抑制信號路徑上的噪聲的影響,以上述電路構成的SN比的改善效果相比,能夠進一步改善檢測信號的SN比。因此,根據本實施方式,即使高密度配置電極,也能夠抑制由串擾等引起的噪聲分量,能夠高精度測定生物體信號的強度分布。

此外,根據本實施方式,由于能夠任意選擇多個信號檢測部F1,1~Fm,n,并且能夠任意地選擇構成各信號檢測部的多個電極,因此,在被檢體上安裝信號檢測裝置1時,不需要預先嚴密地確定要監測的部位。因此,能夠使被檢體向信號檢測裝置1的安裝變得容易。此外,不局限于異常部位,能夠在信號檢測部F1,1~Fm,n所位于的范圍內,選擇性地檢測任意部位的生物體信號。

在上述實施方式中,雖然將本發明表現為信號檢測裝置,但本發明也能夠表現為信號檢測方法。此時,本發明的信號檢測方法能夠表現為如下的信號檢測方法,該信號檢測方法包括:選擇階段,電極信號選擇部200根據選擇信號,擇一地選擇配置為與產生生物體信號的被檢體相接的多個電極1001~1004上的信號;以及放大階段,放大部300在所述選擇階段中,對通過所述電極信號選擇部200選擇出的信號進行放大,所述多個電極1001~1004、所述電極信號選擇部200和所述放大部300形成在具有柔軟性的基體上,在所述基體上形成所述多個電極以及所述電極信號選擇部,所述放大部以與所述多個電極以及所述電極信號選擇部呈層疊構造的方式形成在所述基體上。

此外,本發明也能夠表現為上述信號檢測裝置的制造方法。此時的信號檢測裝置的制造方法能夠表現為如下的信號檢測裝置的制造方法,該信號檢測裝置具有:配置為與產生生物體信號的被檢體相接的多個電極1001~1004;基于選擇信號而擇一地選擇所述多個電極上的信號的電極信號選擇部200;對通過所述電極信號選擇部200選擇出的信號進行放大的放大部300;和形成所述多個電極1001~1004、所述電極信號選擇部200和所述放大部300的具有柔軟性的基體,該信號檢測裝置的制造方法包括:在所述基體上形成所述多個電極以及所述電極信號選擇部的階段;以及將所述放大部以與所述多個電極以及所述電極信號選擇部呈層疊構造的方式形成在所述基體上的階段7

以上,雖然對本發明的實施方式進行了說明,但本發明并不限定于上述實施方式,只要在不脫離本發明的宗旨的范圍內就能夠進行各種變形。

例如,在上述的實施方式中,設為通過本地字線LWL以及全局字線GWL,從而在各列中選擇1個電極,但例如,也可以以行單位來選擇多個電極,也可以以列單位來選擇多個電極,只要在能夠根據本地字線LWL以及全局字線GWL的各信號電平來選擇的限度內,選擇的電極的組合是任意的。

【實施例】

以下,通過實施例來進一步具體地說明本發明,但本發明不局限于以下的實施例。

接著,參照圖7至圖13,對本發明的實施例進行說明。

本發明人,作為上述實施方式的信號檢測裝置1的一實施例,為了假手控制用而開發了一種具有在具有超柔軟性的PEN膜上形成的驅動電壓為2V的有機晶體管(2V有機晶體管)的64通道表面肌電圖(EMG)測量片。通過分散共有放大器(DSA)架構,能夠在使EMG電極密度增大到4倍的狀態下進行肌電信號在測定位置處的放大。通過由事后的加工處理進行的選擇及連接(SAC)方法,與現有的并聯晶體管相比,使晶體管的不匹配降低92%,使晶體管的電力降低56%。

對瘦的肌肉而言,在皮膚上產生的電壓波形即表面肌電(EMG)是非侵害性測量,因此,在檢測如假手以及假足那樣的人的動作的意思的用途中很重要。在假手的用途中,為了正確地控制手,需要EMG的多點測量[參考文獻1、2]。然而,使用受動電極陣列[參考文獻1、3]的現有的多點測量,存在兩個問題。1)第一個問題,由于在皮膚表面上安裝的EMG電極缺少柔軟性,因此長時間的測量會給被測量人帶來煩惱。2)第二個問題,隨著測量點的個數增加,電極與前級電路之間的布線數增加,因此,EMG的信號質量變差。為了克服這樣的問題,開發了在厚度為1μm的具有超柔軟性的膜上,將EMG電極陣列和具有2V有機晶體管的前級放大器陣列集成化,開發了用于控制假手的表面EMG測量片(SEMS)。根據開發的SEMS,能夠不使信號質量降低地進行負擔少的長時間的測量。

用于放大器陣列的有機晶體管的設計問題。1)放大器的較大面積會使電極陣列間距增加,2)放大器的不匹配會引起有機晶體管的較大的不匹配。為了克服這些問題,本發明提出了兩個方案。即,本發明提出,1)用于以EMG電極密度的4倍的密度在測定位置放大肌電信號的分散共有放大器(DSA)架構,2)基于與現有的并聯晶體管相比降低了構成放大器的晶體管的不匹配92%、降低了消耗電力56%的事后制造的選擇及連接(SAC)方法。在使用具有柔軟性的印刷電極的生物體信號的大規模的陣列測量中,DSASAC是基礎而重要的技術。

圖7表示本申請發明人開發的45mm×40mm的64通道SEMS的照片。在SEMS中,在厚度為1μm的具有超柔軟性的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)膜上,層疊有8×8EMG電極陣列片、和具有2V有機晶體管的8×2前級放大器陣列片。EMG電極的間距為0.7mm,8×8EMG電極陣列的面積為3.5mm2。

圖8是使用本發明中提出的DSA架構的SEMS的電路圖。SEMS為了避免信號質量的變差,代替現有的受動電極陣列[參考文獻1-3]而具有放大器陣列。如圖7以及圖13所示,由于放大器的面積較大,由4個電極共有一個放大器,由此,使電極密度成為4倍。此外,EMG電極陣列以及放大器陣列,為了提高電極密度,而形成在被層疊化[參考文獻4]的另一個片上。如圖8所示,在塊11中,4個EMG電極之中的一個通過本地字線(LWL1~LWL4)信號來選擇,放大器放大基于源極跟隨器的信號。在塊21中,4個EMG電極之中的一個通過本地字線(LWL5~LWL8)信號來選擇,放大器放大基于源極跟隨器的信號。然后,這兩個放大器的輸出通過全局字線(GWL1~GWL2)信號來選擇。本發明人,采用使用DNTT有機半導體[參考文獻5]和自調整單層(SAM)技術[參考文獻6]的2V有機pMOS晶體管,由此,實現基于pMOS的電路設計。

圖9表示用于放大器陣列的現有晶體管不匹配降低技術、和本發明提出的降低晶體管不匹配技術。圖9(a)以及(b)分別表示基于現有技術的單一晶體管與N個并聯晶體管之間的晶體管不匹配。

圖9(c)表示本發明提出的事后制造的SAC方法。在SAC中,第一,測定各晶體管的I-V特性(例如,閾值電壓和導通電流(Ion))。需要第2N次的測定。然后,根據作為目標的使不匹配最小化的計算,從圖9(c)的左組以及右組中,分別選擇M1個以及M2個晶體管。通常,M1以及M2不相等。最后,如圖9(c)的照片所示,將所選擇的M1(M2)個晶體管通過噴墨打印機相互連接?;詒痙⒚魈岢齙腟AC,是利用了印刷及電子學,相對于此,基于硅的VLSI技術的SAC費用較高,而不實用。在圖9(d)中表示出比較表。根據Pelgrom法則,付出N倍的電力增加這樣的犧牲,N個并聯晶體管(圖9(b))的不匹配停留在N-1/2倍。對此,根據本發明提出的SAC(圖9(c)),晶體管的不匹配小于N-1/2倍,電力也小于N倍。詳細的分析表示在圖10中。

圖10(a)表示11個有機pMOS晶體管的IDS-VDS特性的測定結果。在本發明中,將Ion的不匹配作為對象。Ion的測定值的平均(μ(Ion))與西格瑪(σ(Ion)),分別為27.4μA和6.0μA。根據由測定得到的μ(Ion)和σ(Ion),假設正態分布來模擬Ion的不匹配,將現有的并聯晶體管(圖9(b))與本發明提出的SAC(圖9(c))進行了比較。圖10(b)表示通過模擬得到的Ion的不匹配的N依存性。并聯晶體管的Ion的不匹配,按照Pelgrom法則,與N-1/2成比例。另一方面,本發明提出的SAC的Ion的不匹配充分小于現有的并聯晶體管的不匹配。圖10(c)表示通過模擬而從圖10(b)導出的Ion的不匹配降低的N依存性。例如,Ion的不匹配降低,對于N=2、4、8,分別為-54%、-92%、-99.7%。N=4,與圖9(c)所示的示例對應。圖10(d)表示通過模擬而得到的μ(Ion)的N依存性(=平均電力)。例如,μ(Ion)的降低,對于N=2、4、8,分別為-44%、-56%、-56%。如此,根據本發明提出的SAC,能夠通過更少的電力開銷來充分減小現有的并聯晶體管的不匹配。

在使用pMOS晶體管的電路設計中,提高放大器的增益是困難的。根據疑似CMOS變換器[參考文獻4,7]能夠得到高增益,但需要負電壓。因此,在本發明中,使用基于具有[參考文獻8]的AC耦合的負載的pMOS晶體管的放大器,由此不再需要負電壓。在圖11(a)中,表示在SEMS中使用的pMOS晶體管的放大器的電路圖。為了比較,還表示了現有的二極管負載。在AC耦合負載中,晶體管M1的VGs通過電容器C2而呈恒定,負載的阻抗變高。由此,實現高增益。電容器C1和C2通過MIM電容器來實現,R1和R2通過pMOS晶體管來實現。放大器的尺寸為20mm×5mm,圖13表示該放大器的照片。圖11(b)表示2V的放大器的增益的頻率依存性的測定結果。具有AC耦合負載的放大器的增益充分高于具有二極管負載的放大器的增益。具有AC耦合負載的放大器的電力消耗為30μW。該放大器的目標樣式為“增益100Hz>20dB”、“增益500Hz>10dB”。即,在具有AC耦合負載的放大器中,要求輸入電壓的頻率為100Hz時的增益大于20dB,輸入的電壓的頻率為500Hz時的增益大于10dB。其理由是,因為針對上述的目標樣式,表面EMG的代表性振幅范圍與頻率范圍分別為1~2mV和10Hz~500Hz。在圖11(b)中,得到“增益100Hz=21dB”以及“增益500Hz=10dB”,即,得到輸入的電壓頻率為100Hz時的增益為21dB,輸入的電壓頻率為500Hz時的增益為10dB這樣的結果,它們滿足上述目標樣式。

圖12表示具有有機放大器的表面EMG的測定系統的設定和測定波形。良好地觀測打開手的狀態的波形與合閉手的狀態的波形之間的明顯的不同。打開手的狀態的波形的最大振幅與頻率分別為35mV和100Hz。

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產業上的可利用性

本發明能夠廣泛應用于用于檢測生物體信號的裝置。此外,本發明也能夠應用于用于檢測工業制品等的電信號的裝置。

標號說明:

1-信號檢測裝置,

F,F1,1~Fm,n-信號檢測部,

G,GS1~GSn-生物體信號選擇部,

GWL,GWL1~GWLm-全局字線,

LWL,LWL1~LWL4m-本地字線,

100-電極組,

1001~1004-電極,

200-電極信號選擇部,

2101~2104-源極跟隨器電路,

220-負載電流源,

211,212,221-pMOS晶體管(有機晶體管),

300-放大部,

310-電容器,

320-放大器,

3211~321k-pMOS晶體管(有機晶體管),

322-負載,

323-電阻,

3241~324k,3251~325k-布線形成區域,

1020-第1電路層,

1030-第2電路層,

1040-導電層。

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信號 檢測 裝置 方法 以及 制造
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