组成图示
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传感器类型
其他（无线生物医学信号接口SoC）
检测对象
pH（氢离子活度/酸碱度，pH）、温度（temperature）；样品基质：pH 缓冲液、温度校准液/实验样品
检测原理
系统以外部 pH-ISFET 和 pn 结温度二极管作为识别/传感元件。pH-ISFET 的栅极由参考电极替代，溶液 pH 改变界面电位，器件呈 Nernst 响应，源极跟随器输出约 43 mV/pH 的电压变化；pn 结正向电压随温度近似线性变化，用于温度测量并校准 pH 的温度漂移。SoC 模拟接口将高阻 ISFET 电流/电压转换为低阻电压，经多路复用器送入 10 位 SAR ADC 数字化。8 位 MCU 将 8 通道数据组包，DS-SS 编码器用 PN 码进行扩频，FSK 射频部分经 SAW 谐振器发射。接收端 DAQ 用相关器解扩并阈值判决，从而恢复 pH 与温度数据。
检测灵敏度
ISFET 灵敏度: 43-mV/pH
效应效果
完整 SoC 连接外部 pH-ISFET 与 pn 结温度传感器，在 30–90 °C 的 pH 缓冲液中采集约 25 min 数据，并与标准温度/pH 计比较，确认系统工作正常。无线链路采用 DS-SS 扩频和接收端相关器，在噪声背景下可正确识别比特，具有抗窄带干扰能力。新电池最大功耗约 18 mW，衰减后约 8 mW；传感器接口约 1.9 mA@3 V，射频约 1.7 mA@3 V；Colpitts 振荡器 5.1 mW@3.0 V，低于 Pierce 的 8.1 mW。片上螺旋电感在空气中 0.5 m 可被接收，编码数据率设为 3.67 kb/s。作者认为其可作为 BSN-on-chip 框架，用于可穿戴/植入式监测。
传感器的构成
- 外部识别/传感元件：pH-ISFET（离子敏感场效应晶体管），将 pH 转换为约 43 mV/pH 的源极电压
- 外部温度传感元件：正向偏置 pn 结二极管（结面积 0.6 mm^2），提供温度读数并用于 pH 校准
- 模拟接口层：SoC 内 cascode 电流源、源极跟随器和运放反馈电路，将高阻 ISFET 与二极管信号转换为低阻电压
- 数据转换层：7 个 2 输入多路复用器和 10 位 SAR ADC，对 8 个通道进行采样
- 数字控制层：8 位微控制器（兼容 Motorola 6805 指令集，512 B ROM、32 B RAM），调度采样、组包和休眠
- 无线发射层：可编程 DS-SS 数据编码器、PN 码 LFSR、FSK RF 发射机和近 Class-E 功放，实现扩频调制与发射
- 射频谐振/天线层：外部 SAW 谐振器和片上螺旋电感，产生载频并辐射无线信号
- 读出层：DAQ 设备与 PC 相关器软件，对接收信号进行解扩、阈值判决和数据恢复
中文摘要
近年来，生物传感器、系统级芯片、无线技术与普适计算快速发展，将其组装成自主体传感器网络（BSN）可用于健康监护、医学诊断和个人互联。本文报道了首个面向可穿戴或植入式 BSN 的完全定制混合信号硅芯片演示。该芯片集成低功耗温度与 pH 模拟传感器接口、数据多路复用与转换模块、基于 8 位微控制器的数字平台、用于扩频无线传输的数据编码以及仅需极少片外元件的射频部分。芯片通过连接外部 pH-ISFET 和 pn 结温度传感器完成评估，满足典型系统要求，展示了 BSN-on-chip 的可行框架。
英文摘要
Recent years have seen the rapid development of biosensor technology, system-on-chip design, wireless technology. and ubiquitous computing. When assembled into an autonomous body sensor network (BSN), the technologies become powerful tools in well-being monitoring, medical diagnostics, and personal connectivity. In this paper, we describe the first demonstration of a fully customized mixed-signal silicon chip that has most of the attributes required for use in a wearable or implantable BSN. Our intellectual-property blocks include low-power analog sensor interface for temperature and pH, a data multiplexing and conversion module, a digital platform based around an 8-b microcontroller, data encoding for spread-spectrum wireless transmission, and a RF section requiring very few off-chip components. The chip has been fully evaluated and tested by connection to external sensors, and it satisfied typical system requirements.