生物医疗微纳电子技术

第1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 动作电位的特性 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 1.2.3 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 神经电势信号的特性 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 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 神经系统仿真芯片 77 2.2.1 神经仿真系统的硬件架构 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*简仿真电路 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 神经系统仿真芯片实例 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 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 3.2.3 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 人体安全性规范 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 3.3.2.3 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性 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性 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 检测方法及验证 214 4.4.3 线性浮栅注入器 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 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总体测试验证 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性 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 实测验证及改进方向 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证 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 5.2.3 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 神经电极之先进材料的应用 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 总结与展望 357 参考文献 358 第6章 视觉假体 363 6.1 神经假体与视觉假体 363 6.1.1 神经假体 363 6.1.2 视觉假体 365 6.2 视觉皮层假体 369 6.2.1 总体架构 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 无线型视网膜假体 380 6.3.1 总体架构 380 6.3.2 设计考虑 382 6.3.3 15通道视网膜假体芯片 386 6.3.3.1 假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通道视网膜假体芯片 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 光电型视网膜假体 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 423 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 生物电信号特性及对放大器的要求 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 自适应调整原理 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 7.2.3.2 电路实现 497 7.2.3.3 实测验证 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 实测验证 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 无线射频前端电路 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 PSK解调器 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 性能分析 543 7.3.3.3 模块设计 546 7.3.3.4 系统测试 555 7.3.3.5 活体试验 557 7.4 总结与展望 558 参考文献 559 附录 缩略语对照表 567