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生物醫(yī)療微納電子技術(shù) 版權(quán)信息
- ISBN：9787560648095
- 條形碼：9787560648095 ; 978-7-5606-4809-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無(wú)
- 重量：暫無(wú)
- 所屬分類(lèi)：>>
生物醫(yī)療微納電子技術(shù) 本書(shū)特色
與人類(lèi)健康息息相關(guān)的生物醫(yī)療為以集成電路為代表的微納電子科學(xué)與技術(shù)開(kāi)辟了嶄新且更具生命力的應(yīng)用領(lǐng)域。本書(shū)介紹了生物醫(yī)療微納電子科學(xué)與技術(shù)的相關(guān)知識(shí)以及近十年來(lái)的研究成果，側(cè)重于硅基集成電路在此領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，內(nèi)容涵蓋神經(jīng)傳感接口芯片、神經(jīng)仿生集成電路、植入式醫(yī)療器件的無(wú)線(xiàn)能量獲取與數(shù)據(jù)傳輸、自供電生物壓電傳感器、人體固態(tài)微探針、視覺(jué)假體以及生物醫(yī)療應(yīng)用中的模擬集成電路等。全書(shū)科學(xué)性與工程性相融，基礎(chǔ)性與先進(jìn)性兼?zhèn)，理論結(jié)合實(shí)際，深入淺出，圖文并茂。本書(shū)適合從事生物醫(yī)療相關(guān)電子信息產(chǎn)品（尤其是集成電路相關(guān)芯片或器件）研究與開(kāi)發(fā)工作的科研工作者和工程技術(shù)人員閱讀，也可作為生物醫(yī)療電子學(xué)、微電子學(xué)等專(zhuān)業(yè)的高年級(jí)本科生和研究生的教學(xué)參考書(shū)。本書(shū)獲“寬禁帶半導(dǎo)體與微納電子學(xué)”高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助。
生物醫(yī)療微納電子技術(shù) 內(nèi)容簡(jiǎn)介
本書(shū)介紹了生物醫(yī)療微納電子科學(xué)與技術(shù)的相關(guān)知識(shí)以及近十年來(lái)的研究成果, 側(cè)重于硅基集成電路在此領(lǐng)域的應(yīng)用于發(fā)展, 內(nèi)容涵蓋神經(jīng)傳感接口芯片、神經(jīng)仿生集成電路、植入式醫(yī)療器件的無(wú)線(xiàn)能量獲取與數(shù)據(jù)傳輸、自供電生物壓電傳感器、人體固態(tài)微探針、視覺(jué)假體以及生物醫(yī)療應(yīng)用中的模擬集成電路等。
生物醫(yī)療微納電子技術(shù) 目錄
第1章 神經(jīng)傳感接口芯片 1
1.1 神經(jīng)元的電化學(xué)作用機(jī)制 1
1.1.1 神經(jīng)元 1
1.1.1.1 神經(jīng)系統(tǒng) 1
1.1.1.2 神經(jīng)元的構(gòu)成 3
1.1.1.3 神經(jīng)元的分類(lèi) 4
1.1.2 動(dòng)作電位 6
1.1.2.1 動(dòng)作電位的特性 6
1.1.2.2 動(dòng)作電位沿軸突的傳導(dǎo) 9
1.1.3 離子通道 11
1.1.4 突觸 13
1.1.5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 15
1.2 神經(jīng)電化學(xué)檢測(cè)芯片 16
1.2.1 神經(jīng)電化學(xué)檢測(cè)方法 16
1.2.2 神經(jīng)電化學(xué)接口芯片 19
1.2.3 神經(jīng)電化學(xué)檢測(cè)的多巴胺應(yīng)用 22
1.3 神經(jīng)電勢(shì)記錄芯片 25
1.3.1 神經(jīng)電勢(shì)記錄的需求 25
1.3.2 神經(jīng)電勢(shì)信號(hào)的特性 27
1.3.3 神經(jīng)電勢(shì)信號(hào)放大器 29
1.3.3.1 規(guī)格要求 29
1.3.3.2 電路設(shè)計(jì) 30
1.3.3.3 功耗—噪聲—面積的折中 32
1.3.4 神經(jīng)電勢(shì)記錄芯片實(shí)例 33
1.3.5 神經(jīng)電化學(xué)與神經(jīng)電勢(shì)的聯(lián)合檢測(cè) 35
1.4 神經(jīng)刺激芯片 38
1.4.1 神經(jīng)刺激的作用 38
1.4.2 神經(jīng)刺激的實(shí)現(xiàn)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(jīng)刺激發(fā)生器的電路設(shè)計(jì) 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(gòu) 45
1.4.3.3 刺激前端電路 46
1.4.3.4 刺激器輸出級(jí) 48
1.4.3.5 刺激器的電流產(chǎn)生電路 50
1.4.4 神經(jīng)刺激器的故障及對(duì)策 54
1.5 總結(jié)與展望 56
參考文獻(xiàn) 57
第2章 神經(jīng)仿生集成電路 60
2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成電路 60
2.1.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)IC 60
2.1.2 神經(jīng)元的電學(xué)模型 61
2.1.2.1 神經(jīng)元模型 61
2.1.2.2 網(wǎng)絡(luò)模型 65
2.1.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)IC的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 66
2.1.3.1 實(shí)現(xiàn)架構(gòu) 66
2.1.3.2 模型與驗(yàn)證 67
2.1.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)IC實(shí)例 69
2.1.4.1 固定模型參數(shù)的亞閾值CMOS ASIC 69
2.1.4.2 固定模型參數(shù)的BiCMOS ASIC 71
2.1.4.3 可調(diào)諧模型參數(shù)的BiCMOS ASIC 73
2.1.4.4 可調(diào)諧模型參數(shù)與多突觸的BiCMOS ASIC 74
2.2 神經(jīng)系統(tǒng)仿真芯片 77
2.2.1 神經(jīng)仿真系統(tǒng)的硬件架構(gòu) 78
2.2.1.1 功能架構(gòu) 78
2.2.1.2 實(shí)現(xiàn)架構(gòu) 79
2.2.1.3 放電路由網(wǎng)絡(luò) 81
2.2.2 神經(jīng)元模型及電路實(shí)現(xiàn) 82
2.2.2.1 神經(jīng)元*簡(jiǎn)仿真電路 82
2.2.2.2 無(wú)量綱神經(jīng)元模型 82
2.2.2.3 神經(jīng)元模型的電路實(shí)現(xiàn) 87
2.2.3 神經(jīng)系統(tǒng)仿真芯片實(shí)例 92
2.2.3.1 軟硬件構(gòu)成 93
2.2.3.2 收發(fā)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(jié)與展望 101
參考文獻(xiàn) 101
第3章 植入式醫(yī)療器件的無(wú)線(xiàn)能量獲取與數(shù)據(jù)傳輸 104
3.1 植入式醫(yī)療器件的能量獲取 104
3.1.1 植入式醫(yī)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(huán)境能量獲取 109
3.2 植入式器件的無(wú)線(xiàn)電磁能量獲取與數(shù)據(jù)傳輸 111
3.2.1 概述 111
3.2.2 無(wú)線(xiàn)電磁能量傳輸方式 113
3.2.3 無(wú)線(xiàn)載波頻率的選擇 116
3.2.3.1 選擇依據(jù) 116
3.2.3.2 頻率規(guī)范 117
3.2.4 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒? 119
3.2.4.1 數(shù)據(jù)調(diào)制方式的選擇 119
3.2.4.2 數(shù)據(jù)編碼方式的考慮 121
3.2.5 人體安全性規(guī)范 122
3.3 基于諧振電感耦合的無(wú)線(xiàn)鏈路 124
3.3.1 總體構(gòu)成與設(shè)計(jì)要求 124
3.3.2 諧振電感鏈路 125
3.3.2.1 諧振電感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 125
3.3.2.2 能量效率的影響因素 127
3.3.2.3 耦合線(xiàn)圈設(shè)計(jì) 130
3.3.2.4 自適應(yīng)負(fù)載阻抗匹配電路 133
3.3.3 整流器與穩(wěn)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(wěn)壓器 143
3.3.4 自適應(yīng)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(wú)線(xiàn)電容充電器 147
3.3.5 單載波與雙載波 149
3.3.6 植入系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例 150
3.4 適于皮下植入的單片太陽(yáng)能采集器 155
3.4.1 整體構(gòu)成與電路設(shè)計(jì) 155
3.4.2 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化 161
3.4.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果 163
3.5 無(wú)線(xiàn)射頻傳輸與UHF RFID的植入應(yīng)用探索 166
3.5.1 概述 166
3.5.2 理論評(píng)估 168
3.5.3 實(shí)驗(yàn)評(píng)估 172
3.6 超聲用于植入器件無(wú)線(xiàn)能量與數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行? 175
3.6.1 概述 175
3.6.2 實(shí)驗(yàn)評(píng)估 176
3.6.3 設(shè)計(jì)優(yōu)化 179
3.7 總結(jié)與展望 185
參考文獻(xiàn) 185
第4章 自供電生物壓電傳感器 191
4.1 生物力學(xué)監(jiān)測(cè)與換能基礎(chǔ) 191
4.1.1 生物力學(xué)植入式監(jiān)測(cè)的必要性 191
4.1.2 應(yīng)力、應(yīng)變和疲勞 192
4.1.3 植入體應(yīng)變測(cè)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(yīng) 195
4.2.2 壓電材料 198
4.2.3 壓電換能模式 199
4.3 壓電儲(chǔ)能與非易失存儲(chǔ) 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(shè)計(jì)與驗(yàn)證 208
4.4.1 恒電流浮柵注入器 208
4.4.2 浮柵注入陣列 211
4.4.2.1 基準(zhǔn)電流源 211
4.4.2.2 浮柵注入陣列的實(shí)現(xiàn) 213
4.4.2.3 檢測(cè)方法及驗(yàn)證 214
4.4.3 線(xiàn)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系統(tǒng)IC 227
4.5.1 總體構(gòu)成 227
4.5.2 自供電電路 228
4.5.2.1 時(shí)間擴(kuò)展電路 229
4.5.2.2 信號(hào)電平檢測(cè)電路 231
4.5.2.3 信號(hào)速度檢測(cè)電路 232
4.5.3 外部供電電路 233
4.5.4 IC總體測(cè)試驗(yàn)證 237
4.6 骨折愈合的生物壓電傳感自主監(jiān)測(cè) 241
4.6.1 骨折愈合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的必要性 241
4.6.2 用于骨折愈合監(jiān)測(cè)的生物壓電傳感芯片 243
4.6.3 模擬實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果 245
4.7 位于心室內(nèi)的微型血壓能量采集器 250
4.7.1 微波紋管傳能結(jié)構(gòu) 250
4.7.2 螺旋壓電換能器 252
4.7.3 實(shí)測(cè)驗(yàn)證及改進(jìn)方向 257
4.8 總結(jié)與展望 260
參考文獻(xiàn) 260
第5章 人體固態(tài)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(jìn)與驗(yàn)證 274
5.2.1 DRIE刻蝕和KOH腐蝕工藝的優(yōu)化 274
5.2.2 側(cè)面開(kāi)口的硅微探針 277
5.2.3 帶微杯的實(shí)心硅微探針 279
5.2.4 聚合物微探針的工藝優(yōu)化 282
5.2.5 仿蚊喙微探針 285
5.3 神經(jīng)電極概述 291
5.3.1 神經(jīng)電極的功能要求 291
5.3.2 神經(jīng)電極的分類(lèi) 292
5.3.2.1 體外電極和體內(nèi)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(jīng)電極的組態(tài) 297
5.3.3.1 單極與多極組態(tài) 297
5.3.3.2 C電極組態(tài)分析 299
5.3.4 金屬基神經(jīng)電極 301
5.3.5 硅基神經(jīng)電極 302
5.3.6 其他神經(jīng)電極 307
5.4 神經(jīng)電極之硅基有源探針 309
5.4.1 關(guān)鍵技術(shù) 310
5.4.1.1 工藝節(jié)點(diǎn)與電極密度的關(guān)系 310
5.4.1.2 串?dāng)_抑制與像素放大器 311
5.4.1.3 噪聲與電極材料、尺寸的關(guān)系 314
5.4.1.4 片上電路設(shè)計(jì) 317
5.4.2 455電極52通道有源探針 320
5.4.2.1 電路設(shè)計(jì) 321
5.4.2.2 器件制造 325
5.4.2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shè)計(jì) 336
5.4.4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 340
5.5 神經(jīng)電極之先進(jìn)材料的應(yīng)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(yīng)用 346
5.5.2 碳納米管與金納米粒 348
5.5.3 硅納米線(xiàn) 351
5.5.3.1 探針結(jié)構(gòu)與制備工藝 351
5.5.3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證 352
5.6 總結(jié)與展望 357
參考文獻(xiàn) 358
第6章 視覺(jué)假體 363
6.1 神經(jīng)假體與視覺(jué)假體 363
6.1.1 神經(jīng)假體 363
6.1.2 視覺(jué)假體 365
6.2 視覺(jué)皮層假體 369
6.2.1 總體架構(gòu) 370
6.2.2 神經(jīng)形態(tài)編碼器 372
6.2.3 RF電感鏈路 374
6.2.4 體內(nèi)植入單元 376
6.2.5 原型演示樣機(jī) 377
6.3 無(wú)線(xiàn)型視網(wǎng)膜假體 380
6.3.1 總體架構(gòu) 380
6.3.2 設(shè)計(jì)考慮 382
6.3.3 15通道視網(wǎng)膜假體芯片 386
6.3.3.1 假體構(gòu)成與刺激器芯片 386
6.3.3.2 模擬前端電路 389
6.3.3.3 時(shí)鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)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(fù)位電路 403
6.3.4 256通道視網(wǎng)膜假體芯片 404
6.3.4.1 總體架構(gòu) 404
6.3.4.2 優(yōu)化方法 405
6.3.4.3 電路實(shí)現(xiàn) 409
6.3.4.4 芯片測(cè)試結(jié)果 415
6.4 光電型視網(wǎng)膜假體 419
6.4.1 總體構(gòu)成 419
6.4.2 光電二極管的工作模式 420
6.4.3 光電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 423
6.5 總結(jié)與展望 428
參考文獻(xiàn) 429
第7章 生物醫(yī)療應(yīng)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(hào)特性及對(duì)放大器的要求 432
7.1.2 基本電路與設(shè)計(jì)方法 436
7.1.2.1 基本電路 436
7.1.2.2 抑制直流失調(diào)和閃爍噪聲的方法 443
7.1.3 帶寬與增益寬范圍可調(diào)的多通道神經(jīng)放大器 449
7.1.3.1 噪聲與失配分析 449
7.1.3.2 電路設(shè)計(jì) 451
7.1.3.3 測(cè)試驗(yàn)證 455
7.1.4 微功耗生物電位放大器 461
7.1.4.1 電路設(shè)計(jì) 461
7.1.4.2 測(cè)試驗(yàn)證 466
7.1.4.3 系統(tǒng)構(gòu)成 471
7.1.4.4 活體試驗(yàn) 473
7.1.5 高集成密度的神經(jīng)放大器 475
7.1.6 程控自調(diào)整E類(lèi)放大器 480
7.1.6.1 自適應(yīng)調(diào)整原理 481
7.1.6.2 電路設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 482
7.2 模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器 484
7.2.1 生物醫(yī)療系統(tǒng)對(duì)！獢(shù)轉(zhuǎn)換器的需求 484
7.2.2 單相驅(qū)動(dòng)二階ΣΔ ADC 486
7.2.2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì) 486
7.2.2.2 電路實(shí)現(xiàn) 486
7.2.2.3 實(shí)測(cè)驗(yàn)證 490
7.2.3 兩步連續(xù)時(shí)間增量ΣΔ ADC 492
7.2.3.1 架構(gòu)與規(guī)格設(shè)計(jì) 493
7.2.3.2 電路實(shí)現(xiàn) 497
7.2.3.3 實(shí)測(cè)驗(yàn)證 503
7.2.4 低功耗SAR ADC 506
7.2.4.1 架構(gòu)設(shè)計(jì) 507
7.2.4.2 電路實(shí)現(xiàn) 511
7.2.4.3 實(shí)測(cè)驗(yàn)證 515
7.2.5 簡(jiǎn)化的模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換方案 518
7.2.5.1 自適應(yīng)神經(jīng)放電探測(cè) 518
7.2.5.2 局部場(chǎng)電位能量檢測(cè) 521
7.3 無(wú)線(xiàn)射頻前端電路 524
7.3.1 植入式醫(yī)療設(shè)備的解調(diào)器與調(diào)制器 524
7.3.1.1 ASK解調(diào)器與FSK調(diào)制器 524
7.3.1.2 PSK解調(diào)器 526
7.3.2 生物醫(yī)療系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器 533
7.3.2.1 體系架構(gòu) 533
7.3.2.2 關(guān)鍵單元 537
7.3.3 超輕無(wú)線(xiàn)多通道神經(jīng)遙測(cè)微系統(tǒng) 542
7.3.3.1 系統(tǒng)概述 543
7.3.3.2 性能分析 543
7.3.3.3 模塊設(shè)計(jì) 546
7.3.3.4 系統(tǒng)測(cè)試 555
7.3.3.5 活體試驗(yàn) 557
7.4 總結(jié)與展望 558
參考文獻(xiàn) 559
附錄 縮略語(yǔ)對(duì)照表 567
展開(kāi)全部
生物醫(yī)療微納電子技術(shù) 作者簡(jiǎn)介
莊奕琪，教授。博士生導(dǎo)師，歷任西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院院長(zhǎng)、國(guó)家集成電路人才培養(yǎng)基地主任、國(guó)家級(jí)集成電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心主任、“寬禁帶半導(dǎo)體與微納電子學(xué)”高等學(xué)校創(chuàng)新引智基地主任等。先后于1982年、1986年和1995年獲得半導(dǎo)體物理與器件、微電子技術(shù)和光電子專(zhuān)業(yè)的學(xué)士、碩士和博士學(xué)位，曾入選機(jī)電部?jī)?yōu)秀科技青年、陜西省三五人才工程、西安電子科技大學(xué)有突出貢獻(xiàn)的中青年專(zhuān)家及特聘教授、國(guó)務(wù)院政府特殊津貼獲得者、陜西省教學(xué)名師等。 自1982年在西安電子科技大學(xué)留校工作以來(lái)，長(zhǎng)期從事微電子學(xué)科的科研、教學(xué)和管理工作。曾主持完成科研項(xiàng)目50多項(xiàng)。其中9項(xiàng)成果獲得省部級(jí)以上及全軍科技進(jìn)步獎(jiǎng)，獲發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)30余項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外重要刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文200多篇，其中有近100篇被SCI、EI收錄，出版有《半導(dǎo)體器件中的噪聲及其低噪聲化技術(shù)》、《微電子器件應(yīng)用可靠性技術(shù)》、《藍(lán)牙夢(mèng)想與現(xiàn)實(shí)》、《電子元器件可靠性工程》、《納米電子學(xué)》和《電子設(shè)計(jì)可靠性工程》等多部專(zhuān)著，其中《電子設(shè)計(jì)可靠性工程》一書(shū)于2017年獲第四屆中國(guó)出版政府獎(jiǎng)提名獎(jiǎng)。指導(dǎo)的研究生已獲博士學(xué)位的39人。已獲碩士學(xué)位的150余人，每年主講博士生課程1門(mén)、碩士生課程2門(mén)和本科生課程2門(mén)。 目前科研方向?yàn)樯漕l集成電路設(shè)計(jì)、短距離無(wú)線(xiàn)通信及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)、通信與功率集成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、微電子器件噪聲與可靠性應(yīng)用技術(shù)等。曾經(jīng)或正在主持的科研項(xiàng)目有國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家863計(jì)劃、電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金、國(guó)家重大創(chuàng)新項(xiàng)目等，涉及短距離無(wú)線(xiàn)通信芯片與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽芯片、物聯(lián)網(wǎng)核心芯片與傳感器、可靠性無(wú)損檢測(cè)與診斷等方面。正在開(kāi)拓的前沿方向有人體可植入芯片、生物電子微系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)能量采集和軟件無(wú)線(xiàn)電芯片等。
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