一种使用UMC 0.18 μm技术的多频毫米波CMOS传感器用于无创连续血糖监测

《Biosensors》：A Multifrequency Millimeter-Wave CMOS Sensor for Non-Invasive Continuous Glucose Monitoring Using UMC 0.18 μm Technology

　　

糖尿病是全球主要的健康问题，这凸显了对精确且连续血糖监测设备的迫切需求。本文介绍了一种新颖的无创连续血糖监测方法，该方法采用基于UMC 0.18 μm技术设计的片上多臂传感器，并制成耳塞形式。研究人员所提出的传感器利用耳塞的介电特性，在32、42、64和94 GHz等多个谐振频率下工作，以检测血糖水平的变化。通过反射系数判据|S₁₁|≤?6 dB评估了该方法的灵敏度，确认了其在耳塞设备中实现准确检测的能力。研究人员使用三维电磁高频结构仿真器（HFSS）验证了仿真结果，仅利用|S₁₁|数据确定盲测预测组中的血糖浓度。结果表明，传感器响应与血糖水平之间存在强相关性。该传感器达到了12.4 MHz/(mg/dL)和6 dB/(mg/dL)的灵敏度。此外，耳塞的同质组织结构和天然低密度的小汗腺降低了对微波血糖检测中常见混杂生理变量的敏感性。作为生物医学传感技术的一项重大进展，这种可穿戴系统为无创血糖监测提供了一种精确且实用的方法。

**论文解读：基于UMC 0.18 μm技术的多频毫米波CMOS传感器用于无创连续血糖监测**

**研究背景与问题**
糖尿病是全球性的健康威胁，预计到2030年糖尿病患者将达3.66亿例。持续高血糖（慢性高血糖）会损害肾脏、神经、眼睛等器官，并引发心血管并发症。因此，精确且无创的连续血糖监测设备至关重要。现有微波血糖传感方法通常工作在1-10 GHz频段，受限于单频点无法隔离体温、水合状态等生理变量干扰，且易受样本位置变化影响（幅度偏移可达1.08 dB）。毫米波（30-300 GHz）技术因波长更短、与浅表组织（真皮间质液）相互作用更强，有望提升灵敏度，但尚无集成的片上多频段方案。研究人员旨在开发一种基于耳塞形态的片上多频毫米波CMOS传感器，利用频率依赖性介电特性实现高灵敏度无创血糖监测。

**研究内容与结论**
研究人员采用UMC 0.18 μm CMOS工艺设计并仿真了一种多臂（multi-arm）天线传感器，该传感器在32、42、64、94 GHz四个谐振频率下工作。通过集成解剖学精确的耳部模型（皮肤、软骨、血管层，厚度4 mm），利用Cole-Cole模型模拟不同血糖浓度（0-350 mg/dL）下组织的介电特性，评估反射系数|S₁₁|和增益。仿真结果表明：传感器在耳部模型加载下保持稳定阻抗匹配（|S₁₁|≤?6 dB），平均增益约2.5 dBi，且比吸收率（SAR）在15 dBm输入功率下最大为1.43 W/kg（1 g组织平均值），低于IEEE安全限值（1.6 W/kg）。血糖浓度升高时，各谐振频率均发生单调红移，|S₁₁|幅值增加；第四谐振（94 GHz）在350 mg/dL时频移达8 GHz，幅值变化10 dB。传感器灵敏度达12.4 MHz/(mg/dL)和6 dB/(mg/dL)，优于或媲美文献报道的片外传感器。该研究发表在《Biosensors》。

**关键技术方法**
（1）多臂天线设计：采用对数周期缩放方法，通过改变臂长和传输线宽度实现32、42、64、94 GHz四个谐振频率，天线位于顶层金属（M6，厚2 μm），地平面位于底层金属（M1，厚1.2 μm），占用芯片面积0.9 mm²。（2）耳部仿体模型：构建包含皮肤、软骨、血管层的多层耳部模型（厚度4 mm），基于Cole-Cole模型（一阶）计算各层在30-100 GHz的复介电常数。（3）电磁仿真与评估：使用Ansys HFSS全波电磁仿真软件，分析反射系数|S₁₁、增益、SAR，并系统调制血糖浓度（0、100、150、250、350 mg/dL）获取响应变化。（4）片上测量验证：在电子研究所（ERI）毫米波实验室，使用Cascade MPS150探针台、Keysight N5244B PNA-X矢量网络分析仪和N5293AX01频率扩展器（至110 GHz）对制造芯片进行|S₁₁实测，与仿真结果吻合。

**研究结果**
**3.1 Proposed Technique for Glucose Levels**
通过Cole-Cole模型计算不同血糖浓度下组织的介电特性。在32 GHz和42 GHz，相对介电常数和电导率随血糖升高而降低；在60-100 GHz，相对介电常数降低而电导率升高，证实了频率依赖性介电弛豫行为，支持多频传感。

**3.2 Simulated Glucose Sensing Results**
在耳部模型加载下，传感器保持多频谐振特性。增益曲线从无模型的波动变为有模型后的平滑（平均2.5 dBi），但峰值增益略有降低。SAR分析显示，在32 GHz、15 dBm输入功率下最大SAR为1.43 W/kg（1 g组织），低于IEEE安全限值。血糖浓度从0增至350 mg/dL时，各谐振频率均发生红移（例如第二谐振频移7 GHz，第四谐振频移8 GHz），且|S₁₁幅值平均增加10 dB（350 mg/dL）。灵敏度计算表明，第二和第四谐振灵敏度最高（如第二谐振在100 mg/dL时灵敏度达30 MHz/(mg/dL)）。

**3.3 Measurement of the Proposed Sensor**
实测|S₁₁与仿真结果趋势一致，验证了芯片的可制造性和多频段性能。

**讨论与结论**
讨论部分指出，传感器在不同血糖浓度下的谐振响应并非严格单调，而是呈现频率依赖性介电分散特征，因此应将其视为多频介电指纹而非单一频移。与文献对比（参考文献[38,44,45]），该传感器具有全片上集成、面积仅0.9 mm²、多频段（32/42/64/94 GHz）操作、增益2.5 dBi、灵敏度12.4 MHz/(mg/dL)和6 dB/(mg/dL)等优势，且SAR符合国际安全标准。当前研究基于仿真，未来将进行实验验证（包括人体受试者研究，伦理批准号NILES-EC-CU 24/1/2）。

**结论（翻译原文）**
本文利用UMC 0.18 μm CMOS技术开发了一种用于无创连续血糖监测的小型多频毫米波传感器。通过工作在32、42、64和94 GHz四个不同频率，所提出的多臂天线实现了多频段传感，利用了人体组织频率依赖的介电特性。通过将传感器与解剖学精确的耳部模型集成，评估了有无组织加载时的|S₁₁和实际增益。仿真结果表明，耳部模型使增益响应平滑至平均2.5 dBi，同时保持可接受的辐射性能，并且传感器在工作频段内保持稳定阻抗匹配|S₁₁≤?6 dB。研究人员设计、构建并评估了一种无创血糖监测方法，精确模拟了耳部模型中的血管位置。即使在15 dBm最大输入功率下，SAR分析也验证了所有仿真值均在IEEE安全指南内，确保了可穿戴应用的运行安全。在350 mg/dL下，第四谐振显示出高达8 GHz的频移和10 dB的平均变化。血糖浓度（0-350 mg/dL）的系统调制导致谐振频率的单调偏移和|S₁₁幅值的增加。这些定量测量证明了在临床相关血糖水平上的高灵敏度和优异区分能力。与以往片外血糖传感器相比，该设计具有全片上集成、紧凑面积0.9 mm²、多频段操作和竞争性灵敏度等优势，是未来可穿戴、实时、无创血糖监测系统的有前景方案。