在過去半個世紀內，以集成電路為代表的微納電子技術在很大程度上改變了這個世界的面貌。然而，如今的微納電子技術正在發(fā)生革命性的變化，筆者認為這一變化至少體現(xiàn)在兩個方面： 一是從技術推動轉向需求牽引，一代CPU產(chǎn)生一代計算機的時代已經(jīng)一去不復返了，集成電路芯片不再直接引領信息電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，而是密切依據(jù)與迎合用戶需求，與其他相關技術高度整合，以蘋果手機為代表的智能手機產(chǎn)業(yè)的興起，正是這一趨勢的最好見證；二是應用領域從計算機、通信、信息處理三大傳統(tǒng)領域，開始轉向健康、能源、環(huán)保三大新興領域。雖然微納電子技術作為引領和推動計算機、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)保領域，微納電子技術的未來應用與發(fā)展?jié)摿Ω�加不可估量。與計算機、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，而且目前有待填補的技術空白很多，在此方面相信微納電子技術能夠發(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的生物醫(yī)療領域中微納電子技術的發(fā)展與應用。 在生物醫(yī)療領域，微納電子技術事實上已經(jīng)得到了許多應用，但截至目前這些應用大多集中于體外生物醫(yī)療設備。根據(jù)集成電路高密度、低功耗和高可靠的特點，它更適合于體內生物醫(yī)療應用，這就是所謂人體植入式芯片。利用人體植入式芯片，我們不僅可以實時而連續(xù)地監(jiān)測人體器官的健康狀態(tài)，而且可以通過智能化地給予人體器官電學、化學、機械的刺激，起到疾病治療、動態(tài)給藥和輔助康復等作用，甚至可以用植入式芯片取代人體已經(jīng)損壞的器官，使其恢復機能。本書關注的焦點是微納電子技術的體內應用，而非體外應用，這是本書與已有的許多同類書籍的主要區(qū)別�！≡谌梭w的構成中，神經(jīng)系統(tǒng)無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它知之甚少。因此，在本書中，微納電子技術在神經(jīng)系統(tǒng)中相關應用所占篇幅最大。從本書第1章，我們可以了解到如何利用微納電子技術制作神經(jīng)傳感接口芯片，包括神經(jīng)電勢記錄芯片、神經(jīng)電化學檢測芯片和神經(jīng)刺激芯片等，用于實現(xiàn)對神經(jīng)系統(tǒng)的感知、檢測、記錄和刺激。這不僅有助于探索神經(jīng)系統(tǒng)的結構原理和信息處理機制，揭示高級神經(jīng)活動的本質，而且為人類神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療與康復開辟了一種可能的技術途徑�！⊙芯可窠�(jīng)系統(tǒng)的另一個目的是模仿人體神經(jīng)系統(tǒng)的結構原理和運行機制，用微納電子電路來再造人工智能系統(tǒng)，以便實現(xiàn)甚至超越真實人腦的智慧，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行機構與電腦的數(shù)字化單通道串行運行體制有顯著差異，即使在不久的將來，超級計算機能夠達到人腦的運算速率和記憶容量，所需的能量和實現(xiàn)體積仍然遠大于人腦。因此，以模擬方式為主的神經(jīng)網(wǎng)絡集成電路以及更先進的神經(jīng)系統(tǒng)仿真芯片已成為研究熱點，并在近期出現(xiàn)了若干突破性進展。本書第2章介紹了此方向上的研究進展�！�為了記錄來自人體的各種生物信息，或者將外部電信號導入體內，需要將相應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，導線引入或者植入電池都會帶來對人體的侵犯，為此可采用體外無線傳輸或者體內自供電兩種解決途徑。本書第3章介紹的是體外無線傳輸技術，第4章介紹的是體內自供電技術。在體外無線傳輸技術中，目前最廣泛采用的是基于諧振電感耦合的無線鏈路，用于電磁能量獲取與無線數(shù)據(jù)傳輸，這是第3章重點介紹的內容。不過，也有研究者提出了不同的無線能量采集方案，例如第3章后半部分介紹的太陽能采集、無線射頻傳輸和超聲波能量傳輸技術�！≈T如骨骼、關節(jié)、肌肉甚至心臟這樣的人體器官在運動狀態(tài)下工作，具有一定的機械動能。因此，可以利用壓電換能元件將這種動能轉換為電能，并用集成儲能器件儲存起來，這是體內自供電技術的基本原理。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器的巧妙結合，既能探測人體運動器官或者生物力學植入體的力學參量，又能同時為檢測電路提供所需的工作能量，從而實現(xiàn)人體運動器官的長期、連續(xù)、自主監(jiān)測。在這一章的最后，給出了生物壓電傳感的兩個饒有興趣的應用實例，即骨折愈合自主監(jiān)測和微型血壓能量采集器，前者表明這種方法可以用于評估人體運動器官修復手術的效果，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�用于透過皮膚給人體輸運藥物和注射疫苗，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，用于腦電監(jiān)測、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)在兩個方面： 一是探針材料的改進，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，其中單芯片實現(xiàn)的硅基有源神經(jīng)電極的發(fā)展尤為迅速。第5章對空心微探針和神經(jīng)電極的研究進展作了全面而深入的討論。　集成電路內部元件的特征尺寸已與人體神經(jīng)元的尺度相當，而集成電路的規(guī)模及復雜度也已接近人體神經(jīng)網(wǎng)絡的規(guī)模及復雜度，因此可以用它來替代人腦神經(jīng)元的部分功能，起到局部器官的修復或治療作用，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、視覺假體、深部腦刺激器和脊髓刺激器等，其中視覺假體最受關注，原因之一是人腦從外界接收到的信息70%左右來自視覺，原因之二是作為光-電-化學系統(tǒng)的綜合體，其復雜程度給人們帶來了巨大的技術挑戰(zhàn)。第6章重點介紹了三種視覺假體，即視覺皮層假體、無線型視網(wǎng)膜假體和光電型視網(wǎng)膜假體。在這一領域待解決的難題尤其多，如視覺皮層假體如何獲得正確的視覺神經(jīng)信號，無線型視網(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換效率等。 記錄或施加生物電信號的生物醫(yī)療電子系統(tǒng)通常由模擬電路、數(shù)字電路和數(shù)字模擬混合信號電路所構成，其中模擬電路最為關鍵，因為生物電信號本質上屬于模擬信號。生物電信號的幅度可低至微伏量級，因此需要生物放大器對生物電極采集到的信號進行放大；為了保證生物醫(yī)療系統(tǒng)的健壯性、可控性和復用性，要將模擬信號轉換成數(shù)字信號后再進行分析、處理和傳輸，因此需要模擬數(shù)字轉換器；為了從外界通過無線電方式獲得能量，同時構建植入體與外部設備之間的無線數(shù)據(jù)傳送通道，需要無線射頻前端電路完成功率整流穩(wěn)壓和信號調制解調等功能。第7章介紹了生物醫(yī)療應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)字轉換器和無線射頻前端電路，每類電路都給出了近五年發(fā)表的相關芯片實例。 生物醫(yī)療微納電子領域具有強烈的跨學科特點，相關知識與技術除了微納電子學之外，還涉及生物學、醫(yī)學、光電子學、力學、能源科學、材料科學、納米科學等諸多領域。因此，筆者在寫作此書的過程中，深感自己相關背景知識匱乏所帶來的苦楚，也不得不為此攻讀了若干本生物醫(yī)療方面的書籍。然而，有兩個方面的動力使筆者堅持寫作直至完成此書。一是深感生物醫(yī)療是微納電子技術下一個重大發(fā)展機遇，健康產(chǎn)業(yè)是人類最可持續(xù)發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)；二是此方向的中文書籍幾乎為零，國內學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我國生物醫(yī)療微納電子領域的學術研究和技術開發(fā)方面，起到一定的促進作用�！”緯�的撰寫形式繼承了本人撰寫科技圖書的一貫風格，即科學性與工程性相融，基礎性與先進性兼?zhèn)�，理論結合實際，深入淺出，圖文并茂。這樣的編寫體例可以使來自不同領域的科研工作者和工程技術人員便于理解、讀有所獲，而且也可作為相關專業(yè)的研究生和高年級本科生的教學參考書。盡管如此，為了便于閱讀學習，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知識�！¤b于此主題的國內外參考書甚少，本書的編寫內容大多取自近十年（20062017年）發(fā)表的科學與技術文獻。每章都給出了相當數(shù)量的參考文獻，如果讀者對其中部分內容感興趣，可以通過查閱相關文獻，進一步了解相關細節(jié)。生物醫(yī)療微納電子科學與技術屬于新興領域，知識與技術更新迅速，每章的最后一節(jié)在概括總結了全章內容之后，都對相關技術的未來發(fā)展趨勢略作展望或點評�！∮捎谄�幅所限，本書并未覆蓋生物微納電子領域的全部內容，而是將重點聚焦于硅基集成電路在這個領域內的應用，基本未涉及硅基非電子器件（如硅基微流體器件、DNA分子探測芯片等）以及非硅基的新型元器件（如柔性電子器件、有機半導體器件等）。 本書涉及的學科領域和背景知識寬泛，而筆者的知識儲備與能力有限，因此書中可能還存在一些疏漏和不足之處， 敬請讀者批評指正，以便再版時改正。作者郵箱： yqzhuang@xidian.edu.cn�！￡P于本書的撰寫和成稿，筆者要特別感謝一位杰出的科學家和教育家加拿大麥克馬斯特大學的M.Jamal Deen教授。筆者2009年在麥克馬斯特大學做高級訪問學者期間，正是M.Jamal Deen教授將筆者引入了生物醫(yī)療微納電子學的大門，在筆者這個在微電子專業(yè)領域已經(jīng)耕耘了30多年的學者面前打開了一扇全新的窗戶。2016年，M.Jamal Deen教授以其卓越的學術成就，當選為加拿大皇家科學院院長，可喜可賀。同時，感謝寬禁帶半導體與微納電子學高等學校學科創(chuàng)新引智計劃（111計劃）對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者的熱忱幫助！　最后，衷心感謝西安電子科技大學出版社的相關工作人員，尤其是李惠萍老師和雷鴻俊編輯。沒有你們持之以恒的鼓勵、支持和幫助，筆者無法堅持寫作并順利完成本書的編撰與出版。
作 者2018年2月