JSSC 2023第6期RF & Wireless45nm CMOS-SOI

Fully Integrated Electronic-Photonic Ultrasound Receiver Array for Endoscopic Ap

首款全集成电子-光子超声接收器阵列，用于内窥镜应用。

5.53 × 3.03 mm, 74 dB传感器工作范围, 9-bit SAR ADC

电子-光子系统微环谐振器内窥镜波分复用CMOS集成

▸创新点1：采用微环谐振器（MRR）作为超声传感器，替代传统的压电或电容式微机械换能器（PMUTs/CMUTs），实现了更高的集成度和灵敏度，同时降低了功耗和体积，适用于内窥镜应用。

▸创新点2：通过波分复用技术（WDM）将多个MRR传感器耦合到同一波导上，减少了光纤数量8倍，且无需额外的功耗和面积开销，显著提升了系统的紧凑性和可扩展性。

▸创新点3：单片集成光子器件与CMOS电路，实现了电子-光子系统芯片（EPSoC）的高度集成，包括可编程增益跨阻放大器（TIA）和背景电流消除DAC，提供了74 dB的传感器动态范围。

▸创新点4：片上集成9-bit SAR ADC，实现了自包含的内窥镜超声接收系统，简化了系统架构并降低了对外部电路的依赖，提升了整体性能和可靠性。

Abstract

This article presents the ﬁrst fully integrated 2-D array of electronic-photonic ultrasound sensors target- ing low-power miniaturized ultrasound probes for endoscopic applications. Fabricated in a zero-change 45-nm CMOS- silicon-on-insulator (SOI) technology, this 5.53 × 3.03 mm electronic-photonic system on chip (EPSoC) utilizes micro-ring resonators (MRRs) as ultrasound sensors instead of the tra- ditional piezoelectric or capacitive micromachined transducers (PMUTs or CMUTs). The photonic na