微电子技术在生物医学中的应用与发展.pdfVIP

第8 卷 第2 期 电路与系统学报 Vol. 8 No.2 2003 年 4 月 JOURNAL OF CIRCUITS AND SYSTEMS April, 2003 文章编号：1007-0249 (2003) 02-0080-06 微电子技术在生物医学中的应用与发展* 谢翔， 张春， 王志华 （清华大学电子工程系，北京 100084 ） 摘要：微电子技术与生物医学之间有着非常紧密的联系。一方面微电子技术的发展，将大大地推动生物医学的发 展，另一方面生物医学的研究成果同样也将对微电子技术的发展起着巨大的促进作用。本文将从生物医学电子学的几 个重要发展领域：生物医学传感器、神经电极、植入式电子系统、监护技术、生物芯片、分子和生物分子电子学以及 仿生系统等的基本概念出发，结合国际上必威体育精装版进展介绍微电子技术和生物医学的相互作用与发展，并总结国际上的最 新技术和研究动向。 关键词：微电子技术；生物医学；生物医学电子学；生物医学传感器；神经电极；植入式电子系统；监护技术； 生物芯片；分子和生物分子电子学；仿生系统 中图分类号：TP391 文献标识码：A 1 引言 生物医学电子学是一门由生物、医学、电子学和工程学等多学科交叉的边缘科学，它一方面将电 子学用于生物医学领域，使这些领域的研究方式更加精确和科学，另一方面由于通过漫长的进化，生 物体本身实际上就是一个十分优良和精细的复杂系统，它形成的生物信息处理的优异特性将会给电子 [1] 学以重要的启示，使电子信息科学发生革命性的变化 。在电子学与生物医学交叉作用部分中最前沿、 最活跃、作用力最大的一项关键技术则是微电子技术。它主要表现在：1）生物医学电子学的一个主要 发展方向是实现生物医学电子设备的微型化和集成化，体现在生物医学传感 器、神经电极、植入式电子系统、监护技术、生物芯片等方面。显然，微型 化的实现主要依赖于微电子技术的发展；2 ）按照目前微电子器件微型化趋势， [2] 器件尺寸将很快达到原子和分子的水平 （图1），这将使得人们能够更精 确地研究生物体；3 ）借鉴生物医学的必威体育精装版成果，能大大地促进微电子技术的 发展[55][56][57] 。 本文将主要从生物医学传感器、神经电极、植入式电子系统、监护技术、 生物芯片、分子和生物分子电子学、仿生系统等几个方面结合当前国际上最 新进展来介绍两者之间的关系与发展，并总结了两个领域交叉部分当前国际 上的一些必威体育精装版技术和研究方向。 2 生物医学传感器 生物医学传感器的作用是把生物体和人体中包含的生命现象、状态、性 图1 微电子工艺发展 质、变量和成分等生理信息（包括物理量、化学量、生物量等）转化为与之 趋势预测图 有确定函数关系的电信息。生物医学传感器是生物医学电子学中最关键的技术，它是连接生物医学和 电子学的桥梁。主要可分为如下几类：电阻式传感器，电容式传感器，电感式传感器，压电式传感器， 光电传感器，热电式传感器，光线传感器，电化学传感器以及生物传感器等。 生物医学传感器的微型化和集成化是其中最重要的发展方向之一，其主要原因：1）它是实现生 物医学设备微型化、集成化的基础；2 ）将使得生物医学测量和控制更加精确——达到分子和原子水平， 从而把生物医学带入一个崭新时代。随着微电子技术的飞速发展，生物医学传感器在微型化和集成化 方面取得了很大进展，目前最值得关注的发展方向可大致概括如下：1）以无机物为材料的生物医学传 感器的研究，它充分利用已有的微电子和微加工技术，比如全部基于标准CMOS 工艺的离子传感器的 [3] [4] 研制 、基于商业CMOS 处理工艺的低成本压力传感器的设计 等；2 ）利用无机物和有机物相结合的 *收稿日期：2002-07-10 修订日期：2002-09-09 第2 期 谢翔等：微电子技术在生物医学中的应用与发展