在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)內(nèi)，以集成電路為代表的微納電子技術(shù)在很大程度上改變了這個(gè)世界的面貌。然而，如今的微納電子技術(shù)正在發(fā)生革命性的變化，筆者認(rèn)為這一變化至少體現(xiàn)在兩個(gè)方面： 一是從技術(shù)推動(dòng)轉(zhuǎn)向需求牽引，一代CPU產(chǎn)生一代計(jì)算機(jī)的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返了，集成電路芯片不再直接引領(lǐng)信息電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，而是密切依據(jù)與迎合用戶需求，與其他相關(guān)技術(shù)高度整合，以蘋果手機(jī)為代表的智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)的興起，正是這一趨勢(shì)的最好見證；二是應(yīng)用領(lǐng)域從計(jì)算機(jī)、通信、信息處理三大傳統(tǒng)領(lǐng)域，開始轉(zhuǎn)向健康、能源、環(huán)保三大新興領(lǐng)域。雖然微納電子技術(shù)作為引領(lǐng)和推動(dòng)計(jì)算機(jī)、通信、信息處理產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心引擎，取得的成就舉世矚目，然而在健康、能源、環(huán)保領(lǐng)域，微納電子技術(shù)的未來(lái)應(yīng)用與發(fā)展?jié)摿Ω�加不可估量。與計(jì)算機(jī)、通信、信息處理相比，健康、能源、環(huán)保是人類發(fā)展更加永恒的主題，而且目前有待填補(bǔ)的技術(shù)空白很多，在此方面相信微納電子技術(shù)能夠發(fā)揮更大的作用。本書的宗旨就是介紹與人類健康息息相關(guān)的生物醫(yī)療領(lǐng)域中微納電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。 在生物醫(yī)療領(lǐng)域，微納電子技術(shù)事實(shí)上已經(jīng)得到了許多應(yīng)用，但截至目前這些應(yīng)用大多集中于體外生物醫(yī)療設(shè)備。根據(jù)集成電路高密度、低功耗和高可靠的特點(diǎn)，它更適合于體內(nèi)生物醫(yī)療應(yīng)用，這就是所謂人體植入式芯片。利用人體植入式芯片，我們不僅可以實(shí)時(shí)而連續(xù)地監(jiān)測(cè)人體器官的健康狀態(tài)，而且可以通過(guò)智能化地給予人體器官電學(xué)、化學(xué)、機(jī)械的刺激，起到疾病治療、動(dòng)態(tài)給藥和輔助康復(fù)等作用，甚至可以用植入式芯片取代人體已經(jīng)損壞的器官，使其恢復(fù)機(jī)能。本書關(guān)注的焦點(diǎn)是微納電子技術(shù)的體內(nèi)應(yīng)用，而非體外應(yīng)用，這是本書與已有的許多同類書籍的主要區(qū)別�！≡谌梭w的構(gòu)成中，神經(jīng)系統(tǒng)無(wú)疑是最重要的部分之一。神經(jīng)系統(tǒng)的疾病難以治愈，而且至今為止我們對(duì)它知之甚少。因此，在本書中，微納電子技術(shù)在神經(jīng)系統(tǒng)中相關(guān)應(yīng)用所占篇幅最大。從本書第1章，我們可以了解到如何利用微納電子技術(shù)制作神經(jīng)傳感接口芯片，包括神經(jīng)電勢(shì)記錄芯片、神經(jīng)電化學(xué)檢測(cè)芯片和神經(jīng)刺激芯片等，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的感知、檢測(cè)、記錄和刺激。這不僅有助于探索神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理和信息處理機(jī)制，揭示高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)的本質(zhì)，而且為人類神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療與康復(fù)開辟了一種可能的技術(shù)途徑�！⊙芯可窠�(jīng)系統(tǒng)的另一個(gè)目的是模仿人體神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理和運(yùn)行機(jī)制，用微納電子電路來(lái)再造人工智能系統(tǒng)，以便實(shí)現(xiàn)甚至超越真實(shí)人腦的智慧，這就是所謂神經(jīng)仿生集成電路。人腦的模擬化多通道并行運(yùn)行機(jī)構(gòu)與電腦的數(shù)字化單通道串行運(yùn)行體制有顯著差異，即使在不久的將來(lái)，超級(jí)計(jì)算機(jī)能夠達(dá)到人腦的運(yùn)算速率和記憶容量，所需的能量和實(shí)現(xiàn)體積仍然遠(yuǎn)大于人腦。因此，以模擬方式為主的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成電路以及更先進(jìn)的神經(jīng)系統(tǒng)仿真芯片已成為研究熱點(diǎn)，并在近期出現(xiàn)了若干突破性進(jìn)展。本書第2章介紹了此方向上的研究進(jìn)展�！�為了記錄來(lái)自人體的各種生物信息，或者將外部電信號(hào)導(dǎo)入體內(nèi)，需要將相應(yīng)的電子器件或部件植入人體。這些植入人體的生物醫(yī)療電子器件或部件所需要的供電能源受到很大限制，導(dǎo)線引入或者植入電池都會(huì)帶來(lái)對(duì)人體的侵犯，為此可采用體外無(wú)線傳輸或者體內(nèi)自供電兩種解決途徑。本書第3章介紹的是體外無(wú)線傳輸技術(shù)，第4章介紹的是體內(nèi)自供電技術(shù)。在體外無(wú)線傳輸技術(shù)中，目前最廣泛采用的是基于諧振電感耦合的無(wú)線鏈路，用于電磁能量獲取與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，這是第3章重點(diǎn)介紹的內(nèi)容。不過(guò)，也有研究者提出了不同的無(wú)線能量采集方案，例如第3章后半部分介紹的太陽(yáng)能采集、無(wú)線射頻傳輸和超聲波能量傳輸技術(shù)。　諸如骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉甚至心臟這樣的人體器官在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下工作，具有一定的機(jī)械動(dòng)能。因此，可以利用壓電換能元件將這種動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，并用集成儲(chǔ)能器件儲(chǔ)存起來(lái)，這是體內(nèi)自供電技術(shù)的基本原理。第4章介紹的自供電生物壓電傳感器是壓電換能元件與CMOS集成電路及非易失存儲(chǔ)器的巧妙結(jié)合，既能探測(cè)人體運(yùn)動(dòng)器官或者生物力學(xué)植入體的力學(xué)參量，又能同時(shí)為檢測(cè)電路提供所需的工作能量，從而實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)器官的長(zhǎng)期、連續(xù)、自主監(jiān)測(cè)。在這一章的最后，給出了生物壓電傳感的兩個(gè)饒有興趣的應(yīng)用實(shí)例，即骨折愈合自主監(jiān)測(cè)和微型血壓能量采集器，前者表明這種方法可以用于評(píng)估人體運(yùn)動(dòng)器官修復(fù)手術(shù)的效果，后者則可以自主地為心臟起搏器提供電能�！∽鳛槿梭w或動(dòng)物體與電子器件或部件之間的接口，固態(tài)微探針在植入式生物醫(yī)療微系統(tǒng)中的地位非常重要。目前發(fā)展迅速的固態(tài)微探針有空心微探針和神經(jīng)電極兩大類�？招奈⑻结樦饕�用于透過(guò)皮膚給人體輸運(yùn)藥物和注射疫苗，或者從人體中提取血液或其他體液；神經(jīng)電極主要用于記錄或施加神經(jīng)電信號(hào)，用于腦電監(jiān)測(cè)、神經(jīng)電刺激治療或者神經(jīng)假體。固態(tài)微探針的發(fā)展體現(xiàn)在兩個(gè)方面： 一是探針材料的改進(jìn)，早期的金屬探針已經(jīng)逐漸被硅探針、聚合物探針和納米金剛石探針等所取代；二是探針與植入電子部件的整合與集成，形成所謂有源探針，其中單芯片實(shí)現(xiàn)的硅基有源神經(jīng)電極的發(fā)展尤為迅速。第5章對(duì)空心微探針和神經(jīng)電極的研究進(jìn)展作了全面而深入的討論。　集成電路內(nèi)部元件的特征尺寸已與人體神經(jīng)元的尺度相當(dāng)，而集成電路的規(guī)模及復(fù)雜度也已接近人體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模及復(fù)雜度，因此可以用它來(lái)替代人腦神經(jīng)元的部分功能，起到局部器官的修復(fù)或治療作用，這就是所謂神經(jīng)假體。已經(jīng)開發(fā)的神經(jīng)假體有人工耳蝸、視覺(jué)假體、深部腦刺激器和脊髓刺激器等，其中視覺(jué)假體最受關(guān)注，原因之一是人腦從外界接收到的信息70%左右來(lái)自視覺(jué)，原因之二是作為光-電-化學(xué)系統(tǒng)的綜合體，其復(fù)雜程度給人們帶來(lái)了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。第6章重點(diǎn)介紹了三種視覺(jué)假體，即視覺(jué)皮層假體、無(wú)線型視網(wǎng)膜假體和光電型視網(wǎng)膜假體。在這一領(lǐng)域待解決的難題尤其多，如視覺(jué)皮層假體如何獲得正確的視覺(jué)神經(jīng)信號(hào)，無(wú)線型視網(wǎng)膜假體如何獲得足夠的能量與信息，光電型視網(wǎng)膜假體如何提高光電轉(zhuǎn)換效率等。 記錄或施加生物電信號(hào)的生物醫(yī)療電子系統(tǒng)通常由模擬電路、數(shù)字電路和數(shù)字模擬混合信號(hào)電路所構(gòu)成，其中模擬電路最為關(guān)鍵，因?yàn)樯�物電信�?hào)本質(zhì)上屬于模擬信號(hào)。生物電信號(hào)的幅度可低至微伏量級(jí)，因此需要生物放大器對(duì)生物電極采集到的信號(hào)進(jìn)行放大；為了保證生物醫(yī)療系統(tǒng)的健壯性、可控性和復(fù)用性，要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后再進(jìn)行分析、處理和傳輸，因此需要模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器；為了從外界通過(guò)無(wú)線電方式獲得能量，同時(shí)構(gòu)建植入體與外部設(shè)備之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳送通道，需要無(wú)線射頻前端電路完成功率整流穩(wěn)壓和信號(hào)調(diào)制解調(diào)等功能。第7章介紹了生物醫(yī)療應(yīng)用中最常用的這三類模擬集成電路，即生物放大器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和無(wú)線射頻前端電路，每類電路都給出了近五年發(fā)表的相關(guān)芯片實(shí)例。 生物醫(yī)療微納電子領(lǐng)域具有強(qiáng)烈的跨學(xué)科特點(diǎn)，相關(guān)知識(shí)與技術(shù)除了微納電子學(xué)之外，還涉及生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、光電子學(xué)、力學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)、納米科學(xué)等諸多領(lǐng)域。因此，筆者在寫作此書的過(guò)程中，深感自己相關(guān)背景知識(shí)匱乏所帶來(lái)的苦楚，也不得不為此攻讀了若干本生物醫(yī)療方面的書籍。然而，有兩個(gè)方面的動(dòng)力使筆者堅(jiān)持寫作直至完成此書。一是深感生物醫(yī)療是微納電子技術(shù)下一個(gè)重大發(fā)展機(jī)遇，健康產(chǎn)業(yè)是人類最可持續(xù)發(fā)展的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)；二是此方向的中文書籍幾乎為零，國(guó)內(nèi)學(xué)者從事此方向研究的也不多。衷心期望此書的出版能夠在推動(dòng)我國(guó)生物醫(yī)療微納電子領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究和技術(shù)開發(fā)方面，起到一定的促進(jìn)作用�！”緯�的撰寫形式繼承了本人撰寫科技圖書的一貫風(fēng)格，即科學(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。這樣的編寫體例可以使來(lái)自不同領(lǐng)域的科研工作者和工程技術(shù)人員便于理解、讀有所獲，而且也可作為相關(guān)專業(yè)的研究生和高年級(jí)本科生的教學(xué)參考書。盡管如此，為了便于閱讀學(xué)習(xí)，還是希望讀者最好具有電子電路和微電子器件方面的基礎(chǔ)知識(shí)�！¤b于此主題的國(guó)內(nèi)外參考書甚少，本書的編寫內(nèi)容大多取自近十年（20062017年）發(fā)表的科學(xué)與技術(shù)文獻(xiàn)。每章都給出了相當(dāng)數(shù)量的參考文獻(xiàn)，如果讀者對(duì)其中部分內(nèi)容感興趣，可以通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)一步了解相關(guān)細(xì)節(jié)。生物醫(yī)療微納電子科學(xué)與技術(shù)屬于新興領(lǐng)域，知識(shí)與技術(shù)更新迅速，每章的最后一節(jié)在概括總結(jié)了全章內(nèi)容之后，都對(duì)相關(guān)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)略作展望或點(diǎn)評(píng)�！∮捎谄�幅所限，本書并未覆蓋生物微納電子領(lǐng)域的全部?jī)?nèi)容，而是將重點(diǎn)聚焦于硅基集成電路在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，基本未涉及硅基非電子器件（如硅基微流體器件、DNA分子探測(cè)芯片等）以及非硅基的新型元器件（如柔性電子器件、有機(jī)半導(dǎo)體器件等）。 本書涉及的學(xué)科領(lǐng)域和背景知識(shí)寬泛，而筆者的知識(shí)儲(chǔ)備與能力有限，因此書中可能還存在一些疏漏和不足之處， 敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正，以便再版時(shí)改正。作者郵箱： yqzhuang@xidian.edu.cn�！￡P(guān)于本書的撰寫和成稿，筆者要特別感謝一位杰出的科學(xué)家和教育家加拿大麥克馬斯特大學(xué)的M.Jamal Deen教授。筆者2009年在麥克馬斯特大學(xué)做高級(jí)訪問(wèn)學(xué)者期間，正是M.Jamal Deen教授將筆者引入了生物醫(yī)療微納電子學(xué)的大門，在筆者這個(gè)在微電子專業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)耕耘了30多年的學(xué)者面前打開了一扇全新的窗戶。2016年，M.Jamal Deen教授以其卓越的學(xué)術(shù)成就，當(dāng)選為加拿大皇家科學(xué)院院長(zhǎng)，可喜可賀。同時(shí)，感謝寬禁帶半導(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（111計(jì)劃）對(duì)本書的撰寫和出版的支持，包括提供資助以及基地各位海外學(xué)者的熱忱幫助！　最后，衷心感謝西安電子科技大學(xué)出版社的相關(guān)工作人員，尤其是李惠萍老師和雷鴻俊編輯。沒(méi)有你們持之以恒的鼓勵(lì)、支持和幫助，筆者無(wú)法堅(jiān)持寫作并順利完成本書的編撰與出版。
作 者2018年2月