改进的电荷泵设计与CMOS 256像素光伏供电视网膜下假体芯片的离体实验验证

摘要： 本文提出了一种改进的256像素光伏供电视网膜下植入芯片设计方案。该视网膜下芯片集成了高效全集成4×电荷泵，与片上光伏电池、256像素有源像素传感器阵列（用于图像光感测）、双相恒流刺激器及电极协同工作。通过该设计，红外光产生的光伏电压可提升至1V以上，从而增强电荷注入量。芯片采用32相分压供电方案（DPSS）以降低所需供电电流，进而减小光伏电池面积。该芯片基于180纳米CMOS工艺设计制造，并经过图像传感器生物相容性IrOx电极和硅胶封装的后道工艺处理。电学测试结果显示：在等效电极阻抗负载下，实测刺激频率为28.3Hz；当图像光强为3200勒克斯、红外光强为100mW/cm2时，实测最大输出刺激电流为7.1μA，单像素注入电荷量为7.36nC。通过离体实验进一步验证了芯片功能——利用多电极阵列（MEA）记录视网膜退化（rd1）小鼠视网膜神经节细胞（RGCs）的电生理响应，测得平均阈值注入电荷量约为3.97nC，该数值与野生型（C57BL/6）小鼠视网膜在单电极对钳制记录中获得的数值一致。