●第1章 神經傳感接口芯片 1 1.1 的電化學作用機制 1 1.1.1 1 1.1.1.1 神經繫統 1 1.1.1.2 的構成 3 1.1.1.3 的分類 4 1.1.2 動作電位 6 1.1.2.1 動作電位的特性 6 1.1.2.2 動作電位沿軸突的傳導 9 1.1.3 離子通道 11 1.1.4 突觸 13 1.1.5 神經網絡 15 1.2 神經電化學檢測芯片 16 1.2.1 神經電化學檢測方法 16 1.2.2 神經電化學接口芯片 19 1.2.3 神經電化學檢測的多巴胺應用 22 1.3 神經電勢記錄芯片 25 1.3.1 神經電勢記錄的需求 25 1.3.2 神經電勢信號的特性 27 1.3.3 神經電勢信號放大器 29 1.3.3.1 規格要求 29 1.3.3.2 電路設計 30 1.3.3.3 功耗—噪聲—面積的折中 32 1.3.4 神經電勢記錄芯片實例 33 1.3.5 神經電化學與神經電勢的聯合檢測 35 1.4 神經刺激芯片 38 1.4.1 神經刺激的作用 38 1.4.2 神經刺激的實現方式 40 1.4.2.1 電路模式 40 1.4.2.2 刺激波形 41 1.4.2.3 影響刺激功效的因素 43 1.4.3 神經刺激發生器的電路設計 44 1.4.3.1 電極—組織的等效電路模型 44 1.4.3.2 刺激器的電路架構 45 1.4.3.3 刺激前端電路 46 1.4.3.4 刺激器輸出級 48 1.4.3.5 刺激器的電流產生電路 50 1.4.4 神經刺激器的故障及對策 54 1.5 總結與展望 56 參考文獻 57第2章 神經仿生集成電路 60 2.1 神經網絡集成電路 60 2.1.1 人工神經網絡與神經網絡IC 60 2.1.2 的電學模型 61 2.1.2.1 模型 61 2.1.2.2 網絡模型 65 2.1.3 神經網絡IC的設計與實現 66 2.1.3.1 實現架構 66 2.1.3.2 模型與驗證 67 2.1.4 神經網絡IC實例 69 2.1.4.1 固定模型參數的亞閾值CMOS ASIC 69 2.1.4.2 固定模型參數的BiCMOS ASIC 71 2.1.4.3 可調諧模型參數的BiCMOS ASIC 73 2.1.4.4 可調諧模型參數與多突觸的BiCMOS ASIC 74 2.2 神經繫統仿真芯片 77 2.2.1 神經仿真繫統的硬件架構 78 2.2.1.1 功能架構 78 2.2.1.2 實現架構 79 2.2.1.3 放電路由網絡 81 2.2.2 模型及電路實現 82 2.2.2.1 最簡仿真電路 82 2.2.2.2 無量模型 82 2.2.2.3 模型的電路實現 87 2.2.3 神經繫統仿真芯片實例 92 2.2.3.1 軟硬件構成 93 2.2.3.2 收發器和路由器 95 2.2.3.3 能效分析 98 2.2.3.4 消耗比較 99 2.3 總結與展望 101 參考文獻 101第3章 植入式醫療器件的無線能量獲取與數據傳輸 104 3.1 植入式醫療器件的能量獲取 104 3.1.1 植入式醫療器件 104 3.1.2 植入式器件的能量獲取 105 3.1.2.1 人體自身能量獲取 107 3.1.2.2 體外環境能量獲取 109 3.2 植入式器件的無線電磁能量獲取與數據傳輸 111 3.2.1 概述 111 3.2.2 無線電磁能量傳輸方式 113 3.2.3 無線載波頻率的選擇 116 3.2.3.1 選擇依據 116 3.2.3.2 頻率規範 117 3.2.4 無線數據傳輸的方法 119 3.2.4.1 數據調制方式的選擇 119 3.2.4.2 數據編碼方式的考慮 121 3.2.5 人體安全性規範 122 3.3 基於諧振電感耦合的無線鏈路 124 3.3.1 總體構成與設計要求 124 3.3.2 諧振電感鏈路 125 3.3.2.1 諧振電感結構設計 125 3.3.2.2 能量效率的影響因素 127 3.3.2.3 耦合線圈設計 130 3.3.2.4 自適應負載阻抗匹配電路 133 3.3.3 整流器與穩壓器 135 3.3.3.1 全波整流器 135 3.3.3.2 電壓倍增器 140 3.3.3.3 LDO穩壓器 143 3.3.4 自適應AC-DC變換器 144 3.3.4.1 可配置AC-DC變換器 144 3.3.4.2 混合式AC-DC變換器 145 3.3.4.3 無線電容充電器 147 3.3.5 單載波與雙載波 149 3.3.6 植入繫統應用實例 150 3.4 適於皮下植入的單片太陽能采集器 155 3.4.1 整體構成與電路設計 155 3.4.2 繫統關鍵參數優化 161 3.4.3 實驗測試結果 163 3.5 無線射頻傳輸與UHF RFID的植入應用探索 166 3.5.1 概述 166 3.5.2 理論評估 168 3.5.3 實驗評估 172 3.6 超聲用於植入器件無線能量與數據傳輸的可行性 175 3.6.1 概述 175 3.6.2 實驗評估 176 3.6.3 設計優化 179 3.7 總結與展望 185 參考文獻 185第4章 自供電生物壓電傳感器 191 4.1 生物力學監測與換能基礎 191 4.1.1 生物力學植入式監測的必要性 191 4.1.2 應力、應變和疲勞 192 4.1.3 植入體應變測量的能量獲取 194 4.2 壓電材料與壓電換能 195 4.2.1 壓電效應 195 4.2.2 壓電材料 198 4.2.3 壓電換能模式 199 4.3 壓電儲能與非易失存儲 202 4.3.1 壓電浮柵MOS傳感器 202 4.3.2 浮柵注入模式 205 4.3.3 注入模式的比較 208 4.4 浮柵注入器的設計與驗證 208 4.4.1 恆電流浮柵注入器 208 4.4.2 浮柵注入陣列 211 4.4.2.1 基準電流源 211 4.4.2.2 浮柵注入陣列的實現 213 4.4.2.3 檢測方法及驗證 214 4.4.3 線性浮柵注入器 219 4.4.4 微功耗浮柵注入器 224 4.5 植入式生物壓電傳感繫統IC 227 4.5.1 總體構成 227 4.5.2 自供電電路 228 4.5.2.1 時間擴展電路 229 4.5.2.2 信號電平檢測電路 231 4.5.2.3 信號速度檢測電路 232 4.5.3 外部供電電路 233 4.5.4 IC總體測試驗證 237 4.6 骨折愈合的生物壓電傳感自主監測 241 4.6.1 骨折愈合實時監測的必要性 241 4.6.2 用於骨折愈合監測的生物壓電傳感芯片 243 4.6.3 模擬實驗及測試結果 245 4.7 位於心室內的微型血壓能量采集器 250 4.7.1 微波紋管傳能結構 250 4.7.2 螺旋壓電換能器 252 4.7.3 實測驗證及改進方向 257 4.8 總結與展望 260 參考文獻 260第5章 人體固態微探針 264 5.1 空心微探針之材料與制備 264 5.1.1 概述 264 5.1.2 金屬微探針 267 5.1.3 硅微探針 268 5.1.4 聚合物微探針 271 5.2 空心微探針之改進與驗證 274 5.2.1 DRIE刻蝕和KOH腐蝕工藝的優化 274 5.2.2 側面開口的硅微探針 277 5.2.3 帶微杯的實心硅微探針 279 5.2.4 聚合物微探針的工藝優化 282 5.2.5 仿蚊喙微探針 285 5.3 神經電極概述 291 5.3.1 神經電極的功能要求 291 5.3.2 神經電極的分類 292 5.3.2.1 體外電極和體內電極 292 5.3.2.2 記錄電極和刺激電極 294 5.3.2.3 非侵入式電極和侵入式電極 295 5.3.3 神經電極的組態 297 5.3.3.1 單極與多極組態 297 5.3.3.2 C電極組態分析 299 5.3.4 金屬基神經電極 301 5.3.5 硅基神經電極 302 5.3.6 其他神經電極 307 5.4 神經電極之硅基有源探針 309 5.4.1 關鍵技術 310 5.4.1.1 工藝節點與電極密度的關繫 310 5.4.1.2 串擾抑制與像素放大器 311 5.4.1.3 噪聲與電極材料、尺寸的關繫 314 5.4.1.4 片上電路設計 317 5.4.2 455電極52通道有源探針 320 5.4.2.1 電路設計 321 5.4.2.2 器件制造 325 5.4.2.3 實驗驗證 326 5.4.3 966電極384通道有源探針 331 5.4.4 1356電極768通道有源探針 336 5.4.4.1 電路設計 336 5.4.4.2 實驗驗證 340 5.5 神經電極之優選材料的應用 342 5.5.1 金剛石 342 5.5.1.1 金剛石探針的制備 342 5.5.1.2 金剛石探針的應用 346 5.5.2 碳納米管與金納米粒 348 5.5.3 硅納米線 351 5.5.3.1 探針結構與制備工藝 351 5.5.3.2 實驗測試驗證 352 5.6 總結與展望 357 參考文獻 358第6章 視覺假體 363 6.1 神經假體與視覺假體 363 6.1.1 神經假體 363 6.1.2 視覺假體 365 6.2 視覺皮層假體 369 6.2.1 總體架構 370 6.2.2 神經形態編碼器 372 6.2.3 RF電感鏈路 374 6.2.4 體內 376 6.2.5 原型演示樣機 377 6.3 無線型視網膜假體 380 6.3.1 總體架構 380 6.3.2 設計考慮 382 6.3.3 15通道視網膜假體芯片 386 6.3.3.1 假體構成與刺激器芯片 386 6.3.3.2 模擬前端電路 389 6.3.3.3 時鐘與數據恢復電路 394 6.3.3.4 控制邏輯電路 399 6.3.3.5 程控電流源 401 6.3.3.6 上電復位電路 403 6.3.4 256通道視網膜假體芯片 404 6.3.4.1 總體架構 404 6.3.4.2 優化方法 405 6.3.4.3 電路實現 409 6.3.4.4 芯片測試結果 415 6.4 光電型視網膜假體 419 6.4.1 總體構成 419 6.4.2 光電二極管的工作模式 420 6.4.3 光電繫統設計 423 6.5 總結與展望 428 參考文獻 429第7章 生物醫療應用中的模擬集成電路 432 7.1 生物放大器 432 7.1.1 生物電信號特性及對放大器的要求 432 7.1.2 基本電路與設計方法 436 7.1.2.1 基本電路 436 7.1.2.2 抑制直流失調和閃爍噪聲的方法 443 7.1.3 帶寬與增益寬範圍可調的多通道神經放大器 449 7.1.3.1 噪聲與失配分析 449 7.1.3.2 電路設計 451 7.1.3.3 測試驗證 455 7.1.4 微功耗生物電位放大器 461 7.1.4.1 電路設計 461 7.1.4.2 測試驗證 466 7.1.4.3 繫統構成 471 7.1.4.4 活體試驗 473 7.1.5 高集成密度的神經放大器 475 7.1.6 程控自調整E類放大器 480 7.1.6.1 自適應調整原理 481 7.1.6.2 電路設計與驗證 482 7.2 模擬—數字轉換器 484 7.2.1 生物醫療繫統對模—數轉換器的需求 484 7.2.2 單相驅動二階ΣΔ ADC 486 7.2.2.1 架構設計 486 7.2.2.2 電路實現 486 7.2.2.3 實測驗證 490 7.2.3 兩步連續時間增量ΣΔ ADC 492 7.2.3.1 架構與規格設計 493 7.2.3.2 電路實現 497 7.2.3.3 實測驗證 503 7.2.4 低功耗SAR ADC 506 7.2.4.1 架構設計 507 7.2.4.2 電路實現 511 7.2.4.3 實測驗證 515 7.2.5 簡化的模擬—數字轉換方案 518 7.2.5.1 自適應神經放電探測 518 7.2.5.2 局部場電位能量檢測 521 7.3 無線射頻前端電路 524 7.3.1 植入式醫療設備的解調器與調制器 524 7.3.1.1 ASK解調器與FSK調制器 524 7.3.1.2 PSK解調器 526 7.3.2 生物醫療繫統的無線收發器 533 7.3.2.1 體繫架構 533 7.3.2.2 537 7.3.3 超輕無線多通道神經遙測微繫統 542 7.3.3.1 繫統概述 543 7.3.3.2 性能分析 543 7.3.3.3 模塊設計 546 7.3.3.4 繫統測試 555 7.3.3.5 活體試驗 557 7.4 總結與展望 558 參考文獻 559附錄 縮略語對照表 567

與人類健康息息相關的生物醫療為以集成電路為代表的微納電子科學與技術開闢了嶄新且更具生命力的應用領域。本書介紹了生物醫療微納電子科學與技術的相關知識以及近十年來的研究成果，側重於硅基集成電路在此領域的應用與發展，內容涵蓋神經傳感接口芯片、神經仿生集成電路、植入式醫療器件的無線能量獲取與數據傳輸、自供電生物壓電傳感器、人體固態微探針、視覺假體以及生物醫療應用中的模擬集成電路等。全書科學性與工程性相融，基礎性與優選性兼備，理論結合實際，深入淺出，圖文並茂。本書適合從事生物醫療相關電子信息產品（尤其是集成電路相關芯片或器件）研究與開發工作的科研工作者和工程技術人員閱讀，也可作為生物醫療電子學、微電子學等專業的高年級本科生和研究生的教學參考書。本書獲“寬禁帶半導體與微納電子學”高等學校學科創新引智計劃資助。

莊奕琪 著

在過去半個世紀內，以集成電路為代表的微納電子技術在很大程度上改變了這個世界的面貌。然而，如今的微納電子技術正在發生革命性的變化，筆者認為這一變化至少體現在兩個方面： 一是從技術推動轉向需求牽引，“一代CPU產生一代計算機”的時代已經一去不復返了，集成電路芯片不再直接引領信息電子產品的更新換代，而是密切依據與迎合用戶需求，與其他相關技術高度整合，以蘋果手機為代表的智能手機產業的興起，正是這一趨勢的優選見證；二是應用領域從“計算機、通信、信息處理”三大傳統領域，開始轉向“健康、能源、環保”三大新興領域。雖然微納電子技術作為引領和推動“計算機、通信、信息處理”產業發展的核心引擎，取得的成就舉世矚目，然而在“健康、能源、環保”領域，微納電子技術的未來應用與發展潛力更加不可估量。與“計算機、通信、信息處理”相比，“健康、能源、環保”是人類發展更加永恆的主題，而且目前有待填補的技術空白很多，在此方面等