Continuous monitoring of fluid status through bio-impedance (Bio-Z) measurement of thoracic magnitude or phase is critical in reducing the mortality of chronic heart failure (CHF) patients. However, the stringent power constraints of implantable devices force the design of Bio-Z sensors to be highly challenging.
In this dissertation, two low-voltage and low-power ICs are proposed for bio-impedance (Bio-Z) sensing applications, both of which are fabricated in a 65 nm CMOS process.
The first IC features a sub-10-μW power consumption operating from a 0.5 V supply, sustaining a sub-1º of phase error even under 10% of supply and 0ºC–70ºC of temperature variations. It exhibits a 15.28 mΩ/√Hz of input-referred impedance noise performance, occupying a 4.83 mm² of active area. Its linearity performance shows that the magnitude and the phase of Bio-Z can be measured within the error of 2% and 0.4º, respectively, given that the magnitude of load impedance is less than 126 Ω, and thus, it is suitable for fluid status monitoring applications. Experimental measurement on the human chest demonstrates its capabilities of thoracic impedance variance (TIV) and impedance cardiography (ICG) monitoring.
The second IC features a sub-10-μW and a sub-0.1% THD sinusoidal current generator (CG) that is capable of 20 kHz output current driving. This IC also operates from a 0.5 V supply, benefiting from the ultra-low-power nature of near-threshold operation of digital circuit. With a 2 μApp amplitude of sinusoidal current, it assures <1% of driving error up to the load impedance of 2 kΩ, occupying a 0.059mm² of active area.
흉부 임피던스의 크기 및 위상 측정을 통한 지속적인 체액 상태의 측정은 만성 심부전 환자들의 사망률을 줄이는데 있어 매우 중요하다. 그러나, 체내 이식형 장치에 활용하기 위해 요구되는 엄격한 전력 제약은 생체 임피던스 센서의 설계를 매우 까다롭게 만들고 있다. 본 연구에서는 생체 임피던스 감지 분야를 위한 두 개의 저전압 및 저전력 집적회로가 제안되었으며, 두 집적회로 모두 65 nm CMOS 공정에서 제작되었다.
첫번째 집적회로는 0.5 V의 공급전압에서 10 μW 미만의 전력 소비량을 특징으로 가지며, 공급전압의 10%, 혹은 0°C–70°C의 온도 변동에서도 1°미만의 위상 오류를 유지한다. 이 집적회로는 4.83 mm²의 활성 영역을 가지면서 15.28 mΩ/√Hz의 입력 기준 임피던스 잡음 성능을 갖도록 설계되었다. 선형성 성능은 부하 임피던스의 크기가 126 Ω 미만인 조건에서 생체 임피던스의 크기와 위상을 각각 2% 및 0.4°의 오차 내에서 측정할 수 있음을 보여주므로, 체액 상태 측정에 활용하기 적합하다. 제안된 집적회로는 인체 흉부 임피던스 변동량 및 임피던스 심박동 기록법의 측정을 통해서도 동작성이 검증되었다.
두번째 집적회로는 10 μW 미만의 전력 소비량 및 0.1% 미만의 총 고조파 왜곡 성능을 20 kHz 출력 조건에서 갖추는 정현파 전류 생성기를 특징으로 가진다. 이 집적회로 또한 0.5 V의 공급전압에서 작동하며, 디지털 회로의 임계 값 근처 작동의 초저전력 특성을 활용한다. 제안된 전류 생성기는 2 μApp 진폭의 정현파 전류를 출력할 때 2 kΩ의 부하 임피던스까지 1% 미만의 구동 오류를 보장하며, 0.059 mm²의 활성 영역을 가진다.
