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| 內容簡介： |
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与人类健康息息相关的生物医疗为以集成电路为代表的微纳电子科学与技术开辟了崭新且更具生命力的应用领域。本书介绍了生物医疗微纳电子科学与技术的相关知识以及近十年来的研究成果，侧重于硅基集成电路在此领域的应用与发展，内容涵盖神经传感接口芯片、神经仿生集成电路、植入式医疗器件的无线能量获取与数据传输、自供电生物压电传感器、人体固态微探针、视觉假体以及生物医疗应用中的模拟集成电路等。全书科学性与工程性相融，基础性与先进性兼备，理论结合实际，深入浅出，图文并茂。本书适合从事生物医疗相关电子信息产品（尤其是集成电路相关芯片或器件）研究与开发工作的科研工作者和工程技术人员阅读，也可作为生物医疗电子学、微电子学等专业的高年级本科生和研究生的教学参考书。本书获宽禁带半导体与微纳电子学高等学校学科创新引智计划资助。
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| 內容試閱：
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在过去半个世纪内，以集成电路为代表的微纳电子技术在很大程度上改变了这个世界的面貌。然而，如今的微纳电子技术正在发生革命性的变化，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引领信息电子产品的更新换代，而是密切依据与迎合用户需求，与其他相关技术高度整合，以苹果手机为代表的智能手机产业的兴起，正是这一趋势的最好见证；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。虽然微纳电子技术作为引领和推动计算机、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，微纳电子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，在此方面相信微纳电子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电子技术的发展与应用。 在生物医疗领域，微纳电子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、动态给药和辅助康复等作用，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电子技术的体内应用，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，神经系统无疑是最重要的部分之一。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，微纳电子技术在神经系统中相关应用所占篇幅最大。从本书第1章，我们可以了解到如何利用微纳电子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。这不仅有助于探索神经系统的结构原理和信息处理机制，揭示高级神经活动的本质，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，用微纳电子电路来再造人工智能系统，以便实现甚至超越真实人脑的智慧，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，超级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先进的神经系统仿真芯片已成为研究热点，并在近期出现了若干突破性进展。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，需要将相应的电子器件或部件植入人体。这些植入人体的生物医疗电子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内自供电两种解决途径。本书第3章介绍的是体外无线传输技术，第4章介绍的是体内自供电技术。在体外无线传输技术中，目前最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、无线射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，这是体内自供电技术的基本原理。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。在这一章的最后，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电子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非常重要。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射疫苗，或者从人体中提取血液或其他体液；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假体。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；二是探针与植入电子部件的整合与集成，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，这就是所谓神经假体。已经开发的神经假体有人工耳蜗、视觉假体、深部脑刺激器和脊髓刺激器等，其中视觉假体最受关注，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假体，即视觉皮层假体、无线型视网膜假体和光电型视网膜假体。在这一领域待解决的难题尤其多，如视觉皮层假体如何获得正确的视觉神经信号，无线型视网膜假体如何获得足够的能量与信息，光电型视网膜假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电子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，其中模拟电路最为关键，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；为了保证生物医疗系统的健壮性、可控性和复用性，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，需要无线射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最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射频前端电路，每类电路都给出了近五年发表的相关芯片实例。 生物医疗微纳电子领域具有强烈的跨学科特点，相关知识与技术除了微纳电子学之外，还涉及生物学、医学、光电子学、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电子技术下一个重大发展机遇，健康产业是人类最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电子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，即科学性与工程性相融，基础性与先进性兼备，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研究生和高年级本科生的教学参考书。尽管如此，为了便于阅读学习，还是希望读者最好具有电子电路和微电子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（20062017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。生物医疗微纳电子科学与技术属于新兴领域，知识与技术更新迅速，每章的最后一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电子领域的全部内容，而是将重点聚焦于硅基集成电路在这个领域内的应用，基本未涉及硅基非电子器件（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（如柔性电子器件、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@xidian.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高级访问学者期间，正是M.Jamal Deen教授将笔者引入了生物医疗微纳电子学的大门，在笔者这个在微电子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电子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，包括提供资助以及基地各位海外学者的热忱帮助！ 最后，衷心感谢西安电子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、支持和帮助，笔者无法坚持写作并顺利完成本书的编撰与出版。
作 者2018年2月
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