醉染图书生物医疗微纳技术9787560648095

章 神经传感接口芯片 1 1.1 神经元的电化学作用机制 1 1.1.1 神经元 1 1.1.1.1 神经系统 1 1.1.1.2 神经元的构成 3 1.1.1.3 神经元的分类 4 1.1.2 动作电位 6 1.1.2.1 动作电位的特 6 1.1.2.2 动作电位沿轴突的传导 9 1.1.3 离子通道 11 1.1.4 突触 13 1.1.5 神经网络 15 1.2 神经电化学检测芯片 16 1.2.1 神经电化学检测方法 16 1.2.2 神经电化学接口芯片 19 1.. 神经电化学检测的多巴胺应用 22 1.3 神经电势记录芯片 25 1.3.1 神经电势记录的需求 25 1.3.2 神经电势信号的特 27 1.3.3 神经电势信号放大器 29 1.3.3.1 规格要求 29 1.3.3.2 电路设计 30 1.3.3.3 功耗—噪声—面积的折中 32 1.3.4 神经电势记录芯片实例 33 1.3.5 神经电化学与神经电势的联合检测 35 1.4 神经刺激芯片 38 1.4.1 神经刺激的作用 38 1.4.2 神经刺激的实现方式 40 1.4.2.1 电路模式 40 1.4.2.2 刺激波形 41 1.4.. 影响刺激功效的因素 43 1.4.3 神经刺激发生器的电路设计 44 1.4.3.1 电极—组织的等效电路模型 44 1.4.3.2 刺激器的电路架构 45 1.4.3.3 刺激前端电路 46 1.4.3.4 刺激器输出级 48 1.4.3.5 刺激器的电流产生电路 50 1.4.4 神经刺激器的故障及对策 54 1.5 总结与展望 56 参考文献 57第2章 神经仿生集成电路 60 2.1 神经网络集成电路 60 2.1.1 人工神经网络与神经网络IC 60 2.1.2 神经元的电学模型 61 2.1.2.1 神经元模型 61 2.1.2.2 网络模型 65 2.1.3 神经网络IC的设计与实现 66 2.1.3.1 实现架构 66 2.1.3.2 模型与验 67 2.1.4 神经网络IC实例 69 2.1.4.1 固定模型参数的亚阈值CMOS ASIC 69 2.1.4.2 固定模型参数的BiCMOS ASIC 71 2.1.4.3 可调谐模型参数的BiCMOS ASIC 73 2.1.4.4 可调谐模型参数与多突触的BiCMOS ASIC 74 2.2 神经系统芯片 77 2.2.1 神经系统的硬件架构 78 2.2.1.1 功能架构 78 2.2.1.2 实现架构 79 2.2.1.3 放电路由网络 81 2.2.2 神经元模型及电路实现 82 2.2.2.1 神经元简仿电路 82 2.2.2.2 无量纲神经元模型 82 2.2.. 神经元模型的电路实现 87 2.. 神经系统芯片实例 92 2...1 软硬件构成 93 2...2 收发器和路由器 95 2... 能效分析 98 2...4 消耗比较 99 . 总结与展望 101 参考文献 101第3章 植入式医疗器件的无线能量获取与数据传输 104 3.1 植入式医疗器件的能量获取 104 3.1.1 植入式医疗器件 104 3.1.2 植入式器件的能量获取 105 3.1.2.1 人体自身能量获取 107 3.1.2.2 体外环境能量获取 109 3.2 植入式器件的无线电磁能量获取与数据传输 111 3.2.1 概述 111 3.2.2 无线电磁能量传输方式 113 3.. 无线载波频率的选择 116 3...1 选择依据 116 3...2 频率规范 117 3.2.4 无线数据传输的方法 119 3.2.4.1 数据调制方式的选择 119 3.2.4.2 数据编码方式的考虑 121 3.2.5 人体安全规范 122 3.3 基于谐振电感耦合的无线链路 124 3.3.1 总体构成与设计要求 124 3.3.2 谐振电感链路 125 3.3.2.1 谐振电感结构设计 125 3.3.2.2 能量效率的影响因素 127 3.3.. 耦合线圈设计 130 3.3.2.4 自适应负载阻抗匹配电路 133 3.3.3 整流器与稳压器 135 3.3.3.1 全波整流器 135 3.3.3.2 电压倍增器 140 3.3.3.3 LDO稳压器 143 3.3.4 自适应AC-DC变换器 144 3.3.4.1 可配置AC-DC变换器 144 3.3.4.2 混合式AC-DC变换器 145 3.3.4.3 无线电容充电器 147 3.3.5 单载波与双载波 149 3.3.6 植入系统应用实例 150 3.4 适于皮下植入的单片太阳能采集器 155 3.4.1 整体构成与电路设计 155 3.4.2 系统关键参数优化 161 3.4.3 实验测试结果 163 3.5 无线频传输与UHF RF的植入应用探索 166 3.5.1 概述 166 3.5.2 理论评估 168 3.5.3 实验评估 172 3.6 超声用于植入器件无线能量与数据传输的可行 175 3.6.1 概述 175 3.6.2 实验评估 176 3.6.3 设计优化 179 3.7 总结与展望 185 参考文献 185第4章 自供电生物压电传感器 191 4.1 生物力学监测与换能基础 191 4.1.1 生物力学植入式监测的必要 191 4.1.2 应力、应变和疲劳 192 4.1.3 植入体应变测量的能量获取 194 4.2 压电材料与压电换能 195 4.2.1 压电效应 195 4.2.2 压电材料 198 4.. 压电换能模式 199 4.3 压电储能与非易失存储 202 4.3.1 压电浮栅MOS传感器 202 4.3.2 浮栅注入模式 205 4.3.3 注入模式的比较 208 4.4 浮栅注入器的设计与验 208 4.4.1 恒电流浮栅注入器 208 4.4.2 浮栅注入阵列 211 4.4.2.1 基准电流源 211 4.4.2.2 浮栅注入阵列的实现 213 4.4.. 检测方法及验 214 4.4.3 线浮栅注入器 219 4.4.4 微功耗浮栅注入器 224 4.5 植入式生物压电传感系统IC 227 4.5.1 总体构成 227 4.5.2 自供电电路 228 4.5.2.1 时间扩展电路 229 4.5.2.2 信号电平检测电路 1 4.5.. 信号速度检测电路 2 4.5.3 外部供电电路 4.5.4 IC总体测试验 4.6 骨折愈合的生物压电传感自主监测 241 4.6.1 骨折愈合实时监测的必要 241 4.6.2 用于骨折愈合监测的生物压电传感芯片 243 4.6.3 模拟实验及测试结果 245 4.7 位于心室内的微型血压能量采集器 250 4.7.1 微波纹管传能结构 250 4.7.2 螺旋压电换能器 252 4.7.3 实测验及改进方向 257 4.8 总结与展望 260 参考文献 260第5章 人体固态微探针 264 5.1 空心微探针之材料与制备 264 5.1.1 概述 264 5.1.2 金属微探针 267 5.1.3 硅微探针 268 5.1.4 聚合物微探针 271 5.2 空心微探针之改进与验 274 5.2.1 DRIE刻蚀和KOH腐蚀工艺的优化 274 5.2.2 侧面开口的硅微探针 277 5.. 带微杯的实心硅微探针 279 5.2.4 聚合物微探针的工艺优化 282 5.2.5 仿蚊喙微探针 285 5.3 神经电极概述 291 5.3.1 神经电极的功能要求 291 5.3.2 神经电极的分类 292 5.3.2.1 体外电极和体内电极 292 5.3.2.2 记录电极和刺激电极 294 5.3.. 非侵入式电极和侵入式电极 295 5.3.3 神经电极的组态 297 5.3.3.1 单极与多极组态 297 5.3.3.2 C电极组态分析 299 5.3.4 金属基神经电极 301 5.3.5 硅基神经电极 302 5.3.6 神经电极 307 5.4 神经电极之硅基有源探针 309 5.4.1 关键技术 310 5.4.1.1 工艺节点与电极密度的关系 310 5.4.1.2 串扰抑制与像素放大器 311 5.4.1.3 噪声与电极材料、尺寸的关系 314 5.4.1.4 片上电路设计 317 5.4.2 455电极52通道有源探针 320 5.4.2.1 电路设计 321 5.4.2.2 器件制造 325 5.4.. 实验验 326 5.4.3 966电极384通道有源探针 331 5.4.4 1356电极768通道有源探针 336 5.4.4.1 电路设计 336 5.4.4.2 实验验 340 5.5 神经电极之材料的应用 342 5.5.1 金刚石 342 5.5.1.1 金刚石探针的制备 342 5.5.1.2 金刚石探针的应用 346 5.5.2 碳纳米管与金纳米粒 348 5.5.3 硅纳米线 351 5.5.3.1 探针结构与制备工艺 351 5.5.3.2 实验测试验 352 5.6 总结与展望 357 参考文献 358第6章 视觉体 363 6.1 神经体与视觉体 363 6.1.1 神经体 363 6.1.2 视觉体 365 6.2 视觉皮层体 369 6.2.1 总体架构 370 6.2.2 神经形态编码器 372 6.. RF电感链路 374 6.2.4 体内植入单元 376 6.2.5 原型演示样机 377 6.3 无线型视网膜体 380 6.3.1 总体架构 380 6.3.2 设计考虑 382 6.3.3 15通道视网膜体芯片 386 6.3.3.1 体构成与刺激器芯片 386 6.3.3.2 模拟前端电路 389 6.3.3.3 时钟与数据恢复电路 394 6.3.3.4 控制逻辑电路 399 6.3.3.5 程控电流源 401 6.3.3.6 上电复位电路 403 6.3.4 256通道视网膜体芯片 404 6.3.4.1 总体架构 404 6.3.4.2 优化方法 405 6.3.4.3 电路实现 409 6.3.4.4 芯片测试结果 415 6.4 光电型视网膜体 419 6.4.1 总体构成 419 6.4.2 光电二极管的工作模式 420 6.4.3 光电系统设计 4 6.5 总结与展望 428 参考文献 429第7章 生物医疗应用中的模拟集成电路 432 7.1 生物放大器 432 7.1.1 生物电信号特及对放大器的要求 432 7.1.2 基本电路与设计方法 436 7.1.2.1 基本电路 436 7.1.2.2 抑制直流失调和闪烁噪声的方法 443 7.1.3 带宽与增益宽范围可调的多通道神经放大器 449 7.1.3.1 噪声与失配分析 449 7.1.3.2 电路设计 451 7.1.3.3 测试验 455 7.1.4 微功耗生物电位放大器 461 7.1.4.1 电路设计 461 7.1.4.2 测试验 466 7.1.4.3 系统构成 471 7.1.4.4 试验 473 7.1.5 高集成密度的神经放大器 475 7.1.6 程控自调整E类放大器 480 7.1.6.1 自适应调整原理 481 7.1.6.2 电路设计与验 482 7.2 模拟—数字转换器 484 7.2.1 生物医疗系统对模—数转换器的需求 484 7.2.2 单相驱动二阶ΣΔ ADC 486 7.2.2.1 架构设计 486 7.2.2.2 电路实现 486 7.2.. 实测验 490 7.. 两步连续时间增量ΣΔ ADC 492 7...1 架构与规格设计 493 7...2 电路实现 497 7... 实测验 503 7.2.4 低功耗SAR ADC 506 7.2.4.1 架构设计 507 7.2.4.2 电路实现 511 7.2.4.3 实测验 515 7.2.5 简化的模拟—数字转换方案 518 7.2.5.1 自适应神经放电探测 518 7.2.5.2 局部场电位能量检测 521 7.3 无线频前端电路 524 7.3.1 植入式医疗设备的解调器与调制器 524 7.3.1.1 ASK解调器与FSK调制器 524 7.3.1.2 K调器 526 7.3.2 生物医疗系统的无线收发器 533 7.3.2.1 体系架构 533 7.3.2.2 关键单元 537 7.3.3 超轻无线多通道神经遥测微系统 542 7.3.3.1 系统概述 543 7.3.3.2 能分析 543 7.3.3.3 模块设计 546 7.3.3.4 系统测试 555 7.3.3.5 试验 557 7.4 总结与展望 558 参考文献 559附录 缩略语对照表 567

庄奕琪，教授。博士生导师，历任西安科技大学微学院院长、集成电路人才培养基地主任、重量集成电路实验教学示范中心主任、“宽带半导体与微纳学”高等学校创新引智基地主任等。先后于1982年、1986年和1995年获得半导体物理与器件、微技术和光专业的学士、硕士和博士，曾入选机电部很好科技青年、陕西省三五人才工程、西安科技大学有突出贡献的中青年专家及特聘教授、特殊津贴获得者、陕西省教学名师等。
自1982年在西安科技大学留校工作以来，长期从事微学科的科研、教学和管理工作。曾主持完成科研项目50多项。其中9项成果获得省部级以上及全军科技进步奖，获发明授权30余项，在靠前外重要刊物发表学术200多篇，其中有近100篇被SCI、EI收录，出版有《半导体器件中的噪声及其低噪声化技术》、《微器件应用可靠技术》、《蓝牙梦想与现实》、《元器件可靠工程》、《纳米学》和《设计可靠工程》等多部专著，其中《设计可靠工程》一书于2017年获第四届中国出版奖提名奖。指导的已获博士的39人。已获硕士的150余人，每年主讲博士生课程1门、硕士生课程2门和生课程2门。
目前科研方向为频集成电路设计、短距离无线通信及移动网络系统芯片设计、通信与功率集成系统开发、微器件噪声与可靠应技术等。曾经或正在主持的科研项目有重大科技专项、自然科学、863计划、产业发展、重大创新项目等，涉及短距离无线通信芯片与系统设计、超高频频识别标签芯片、物联网核心芯片与传感器、可靠无损检测与诊断等方面。正在开拓的前沿方向有人体可植入芯片、生物微系统、无线能量采集和软件无线电芯片等。

在过去半个世纪内，以集成电路为代表的微纳技术在很大程度上改变了这个世界的面貌。然而，如今的微纳技术正在发生的变化，笔者认为这一变化至少体现在两个方面： 一是从技术推动转向需求牵引，“一代CPU产生一代计算机”的时代已经一去不复返了，集成电路芯片不再直接信息产品的更新换代，而是密切依据与迎合用户需求，与相关技术高度整合，以苹果手机为代表的智能手机产业的兴起，正是这一趋势的见；二是应用领域从“计算机、通信、信息处理”三大传统领域，开始转向“健康、能源、环保”三大新兴领域。虽然微纳技术作为和推动“计算机、通信、信息处理”产业发展的核心引擎，取得的成就举世瞩目，然而在“健康、能源、环保”领域，微纳技术的未来应用与发展潜力更加不可估量。与“计算机、通信、信息处理”相比，“健康、能源、环保”是人类发展更加永恒的主题，而且目前有待填补的技术空白很多，在此方面相信微纳技术能够发挥更大的作用。本书的宗旨就是介绍与人类健康息息相关的生物医疗领域中微纳技术的发展与应用。 在生物医疗领域，微纳技术事实上已经得到了许多应用，但截至目前这些应用大多集中于体外生物医疗设备。根据集成电路高密度、低功耗和高可靠的特点，它更适合于体内生物医疗应用，这就是所谓“人体植入式芯片”。利用人体植入式芯片，我们不仅可以实时而连续地监测人体器官的健康状态，而且可以通过智能化地给予人体器官电学、化学、机械的刺激，起到疾病治疗、动态给药和辅康复等作用，甚至可以用植入式芯片取代人体已经损坏的器官，使其恢复机能。本书关注的焦点是微纳技术的体内应用，而非体外应用，这是本书与已有的许多同类书籍的主要区别。  在人体的构成中，神经系统无疑是重要的部分之一。神经系统的疾病难以治愈，而且至今为止我们对它知之甚少。因此，在本书中，微纳技术在神经系统中相关应用所占篇幅优选。从本书章，我们可以了解到如何利用微纳技术制作神经传感接口芯片，包括神经电势记录芯片、神经电化学检测芯片和神经刺激芯片等，用于实现对神经系统的感知、检测、记录和刺激。这不仅有于探索神经系统的结构原理和信息处理机制，揭示不错神经活动的本质，而且为人类神经系统疾病的治疗与康复开辟了一种可能的技术途径。  研究神经系统的另一个目的是模仿人体神经系统的结构原理和运行机制，用微纳电路来再造人工智能系统，以便实现甚至真实人脑的智慧，这就是所谓“神经仿生集成电路”。人脑的模拟化多通道并行运行机构与电脑的数字化单通道串行运行体制有显著差异，即使在不久的将来，计算机能够达到人脑的运算速率和记忆容量，所需的能量和实现体积仍然远大于人脑。因此，以模拟方式为主的神经网络集成电路以及更的神经系统芯片已成为研究热点，并在近期出现了若干突破进展。本书第2章介绍了此方向上的研究进展。  为了记录来自人体的各种生物信息，或者将外部电信号导入体内，需要将相应的器件或部件植入人体。这些植入人体的生物医疗器件或部件所需要的供电能源受到很大限制，导线引入或者植入电池都会带来对人体的侵犯，为此可采用体外无线传输或者体自电两种解决途径。本书第3章介绍的是体外无线传输技术，第4章介绍的是体自电技术。在体外无线传输技术中，目前广泛采用的是基于谐振电感耦合的无线链路，用于电磁能量获取与无线数据传输，这是第3章重点介绍的内容。不过，也有研究者提出了不同的无线能量采集方案，例如第3章后半部分介绍的太阳能采集、无线频传输和超声波能量传输技术。  诸如骨骼、关节、肌肉甚至心脏这样的人体器官在运动状态下工作，具有一定的机械动能。因此，可以利用压电换能元件将这种动能转换为电能，并用集成储能器件储存起来，这是体自电技术的基本原理。第4章介绍的自供电生物压电传感器是压电换能元件与CMOS集成电路及非易失存储器的巧妙结合，既能探测人体运动器官或者生物力学植入体的力学参量，又能同时为检测电路提供所需的工作能量，从而实现人体运动器官的长期、连续、自主监测。在这一章的，给出了生物压电传感的两个饶有兴趣的应用实例，即骨折愈合自主监测和微型血压能量采集器，前者表明这种方法可以用于评估人体运动器官修复手术的效果，后者则可以自主地为心脏起搏器提供电能。  作为人体或动物体与器件或部件之间的接口，固态微探针在植入式生物医疗微系统中的地位重要。目前发展迅速的固态微探针有空心微探针和神经电极两大类。空心微探针主要用于透过皮肤给人体输运药物和注疫苗，或者从人体中提取血液或体液；神经电极主要用于记录或施加神经电信号，用于脑电监测、神经电刺激治疗或者神经体。固态微探针的发展体现在两个方面： 一是探针材料的改进，早期的金属探针已经逐渐被硅探针、聚合物探针和纳米金刚石探针等所取代；二是探针与植入部件的整合与集成，形成所谓“有源探针”，其中单芯片实现的硅基有源神经电极的发展尤为迅速。第5章对空心微探针和神经电极的研究进展作了全面而深入的讨论。  集成电路内部元件的特征尺寸已与人体神经元的尺度相当，而集成电路的规模及复杂度也已接近人体神经网络的规模及复杂度，因此可以用它来替代人脑神经元的部分功能，起到局部器官的修复或治疗作用，这就是所谓“神经体”。已经开发的神经体有工耳蜗、视觉体、深部脑刺激器和脊髓刺激器等，其中视觉体关注，原因之一是人脑从外界接收到的信息70%左右来自视觉，原因之二是作为光-电-化学系统的综合体，其复杂程度给人们带来了巨大的技术挑战。第6章重点介绍了三种视觉体，即视觉皮层体、无线型视网膜体和光电型视网膜体。在这一领域待解决的难题尤其多，如视觉皮层体如何获得正确的视觉神经信号，无线型视网膜体如何获得足够的能量与信息，光电型视网膜体如何提高光电转换效率等。 记录或施加生物电信号的生物医疗系统通常由模拟电路、数字电路和数字—模拟混合信号电路所构成，其中模拟电路为关键，因为生物电信号本质上属于模拟信号。生物电信号的幅度可低至微伏量级，因此需要生物放大器对生物电极采集到的信号进行放大；为了保生物医疗系统的健壮、可控和复，要将模拟信号转换成数字信号后再进行分析、处理和传输，因此需要模拟—数字转换器；为了从外界通过无线电方式获得能量，同时构建植入体与外部设备之间的无线数据传送通道，需要无线频前端电路完成功率整流稳压和信号调制解调等功能。第7章介绍了生物医疗应用中常用的这三类模拟集成电路，即生物放大器、模拟—数字转换器和无线频前端电路，每类电路都给出了近五年发表的相关芯片实例。 生物医疗微纳领域具有强烈的跨学科特点，相关知识与技术除了微纳学之外，还涉及生物学、医学、光学、力学、能源科学、材料科学、纳米科学等诸多领域。因此，笔者在写作此书的过程中，深感自己相关背景知识匮乏所带来的苦楚，也不得不为此攻读了若干本生物医疗方面的书籍。然而，有两个方面的动力使笔者坚持写作直至完成此书。一是深感生物医疗是微纳技术下一个重大发展机遇，健康产业是人类可持续发展的朝阳产业；二是此方向的中文书籍几乎为零，国内学者从事此方向研究的也不多。衷心期望此书的出版能够在推动我国生物医疗微纳领域的学术研究和技术开发方面，起到一定的促进作用。  本书的撰写形式继承了本人撰写科技图书的一贯风格，即科学与工程融，基础与兼备，理论结合实际，深入浅出，图文并茂。这样的编写体例可以使来自不同领域的科研工作者和工程技术人员便于理解、读有所获，而且也可作为相关专业的和高年级生的教学参考书。尽管如此，为了便于阅读学习，还是希望读者具有电路和微器件方面的基础知识。  鉴于此主题的国内外参考书甚少，本书的编写内容大多取自近十年（2006—2017年）发表的科学与技术文献。每章都给出了相当数量的参考文献，如果读者对其中部分内容感兴趣，可以通过查阅相关文献，进一步了解相关细节。生物医疗微纳科学与技术属于新兴领域，知识与技术更新迅速，每章的节在概括总结了全章内容之后，都对相关技术的未来发展趋势略作展望或点评。  由于篇幅所限，本书并未覆盖生物微纳领域的全部内容，而是将重点聚焦于硅基集成电路在这个领域内的应用，基本未涉及硅基非器件（如硅基微流体器件、DNA分子探测芯片等）以及非硅基的新型元器件（如柔器件、有机半导体器件等）。 本书涉及的学科领域和背景知识宽泛，而笔者的知识储备与能力有限，因此书中可能还存在一些疏漏和不足之处， 敬请读者批评指正，以便再版时改正。作者邮箱： yqzhuang@in.edu.cn。  关于本书的撰写和成稿，笔者要特别感谢一位杰出的科学家和教育家——加拿大麦克马斯特大学的M.Jamal Deen教授。笔者2009年在麦克马斯特大学做不错访问学者期间，正是M.Jamal Deen教授将笔者引入了生物医疗微纳学的大门，在笔者这个在微专业领域已经耕耘了30多年的学者面前打开了一扇全新的窗户。2016年，M.Jamal Deen教授以其卓越的学术成就，当选为加拿大皇家科学院院长，可喜可贺。同时，感谢“宽禁带半导体与微纳学”高等学校学科创新引智计划（“111”计划）对本书的撰写和出版的支持，包括提供资以及基地各位海外学者的热忱帮！  ，衷心感谢西安科技大学出版社的相关工作人员，尤其是李惠萍老师和雷鸿俊编辑。没有你们持之以恒的鼓励、支持和帮，笔者无法坚持写作并顺利完成本书的编撰与出版。