生物医疗微纳电子技术

图书标准信息

• 作者 庄奕琪 著
• 出版社 西安电子科技大学出版社
• 出版时间 2019-03
• 版次 1
• ISBN 9787560648095
• 定价 150.00元
• 装帧 平装
• 开本 16
• 纸张 胶版纸
• 页数 574页
• 字数 873千字

【内容简介】

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。

 

 

 

【作者简介】

:
庄奕琪，教授。博士生导师，历任西安电子科技大学微电子学院院长、国家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、“宽禁带半导体与微纳电子学”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、微电子技术和光电子专业的学士、硕士和博士学位，曾入选机电部优秀科技青年、陕西省三五人才工程、西安电子科技大学有突出贡献的中青年专家及特聘教授、国务院政府特殊津贴获得者、陕西省教学名师等。
    自1982年在西安电子科技大学留校工作以来，长期从事微电子学科的科研、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，获发明专利授权30余项，在国内外重要刊物发表学术论文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》、《微电子器件应用可靠性技术》、《蓝牙梦想与现实》、《电子元器件可靠性工程》、《纳米电子学》和《电子设计可靠性工程》等多部专著，其中《电子设计可靠性工程》一书于2017年获第四届中国出版政府奖提名奖。指导的研究生已获博士学位的39人。已获硕士学位的150余人，每年主讲博士生课程1门、硕士生课程2门和本科生课程2门。
    目前科研方向为射频集成电路设计、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、微电子器件噪声与可靠性应用技术等。曾经或正在主持的科研项目有国家重大科技专项、国家自然科学基金、国家863计划、电子产业发展基金、国家重大创新项目等，涉及短距离无线通信芯片与系统设计、超高频射频识别标签芯片、物联网核心芯片与传感器、可靠性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、生物电子微系统、无线能量采集和软件无线电芯片等。
精彩内容:
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，正是这一趋势的优选见证；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
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【目录】

章  神经传感接芯片               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               16    1.2.2  神经电化学接芯片               19    1.2.3  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        1.4.2.3  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  结与展望               56    参文献               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  模型与验证               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  神经元简电路               82        2.2.2.2  无量纲神经元模型               82        2.2.2.3  神经元模型的电路实现               87    2.2.3  神经系统芯片实例               92        2.2.3.1  软硬件构成               93        2.2.3.2  收发器和路由器               95        2.2.3.3  能效分析               98        2.2.3.4  消耗比较               99    2.3  结与展望               101    参文献               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    3.2.3  无线载波频率的选择               116        3.2.3.1  选择依据               116        3.2.3.2  频率规范               117    3.2.4  无线数据传输的方               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  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        3.3.2.3  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  无线射频传输与uhf rfid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  结与展望               185    参文献               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    4.2.3  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证               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        4.4.2.3  检测方及验证               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  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  信号电检测电路               231        4.5.2.3  信号速度检测电路               232    4.5.3  外部供电电路               233    4.5.4  ic体测试验证               237    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  实测验证及改进方向               257    4.8  结与展望               260    参文献               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证               274    5.2.1  drie刻蚀和koh腐蚀工艺的优化               274    5.2.2  侧面开的硅微探针               277    5.2.3  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        5.3.2.3  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  其他神经电极               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        5.4.2.3  实验验证               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  实验验证               340    5.5  神经电极之优选材料的应用               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  实验测试验证               352    5.6  结与展望               357    参文献               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  体架构               370    6.2.2  神经形态编码器               372    6.2.3  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  体架构               380    6.3.2  设计虑               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  体架构               404        6.3.4.2  优化方               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  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               423    6.5  结与展望               428    参文献               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               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               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  测试验证               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  测试验证               466        7.1.4.3  系统构成               471        7.1.4.4  活体试验               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               481        7.1.6.2  电路设计与验证               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        7.2.2.3  实测验证               490    7.2.3  两步连续时间增量σδ adc               492        7.2.3.1  架构与规格设计               493