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生物医疗微纳电子技术 版权信息
- ISBN：9787560648095
- 条形码：9787560648095 ; 978-7-5606-4809-5
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>>
生物医疗微纳电子技术 本书特色
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。
生物医疗微纳电子技术 内容简介
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于发展, 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。
生物医疗微纳电子技术 目录
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
展开全部
生物医疗微纳电子技术 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、国家级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。
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