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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I C60

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 ASIC69

2.1.4.2 固定模型参数的BiCMOS ASIC71

2.1.4.3 可调谐模型参数的BiCMOS ASIC73

2.1.4.4 可调谐模型参数与多突触的BiCMOS ASIC74

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 神经元最简仿真电路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IC227

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∑△ ADC486

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∑△ ADC492

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 ADC506

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