微电子技术在生物医学中的应用与发展.docx

,2003文章编号:1007-0249200302-0080-06*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,结合国际上最新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)借鉴生物医学的最新成果,能大大地促进微电子技术的[55][56][57]发展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最新技术和研究方向。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微电子工艺发展趋势预测图质、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CMO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:修订日期:81第2期谢翔等:微电子技术在生物医学中的应用与发展[5][6]生物医学传感器,它充分汲取了有机物的优点,比如基于神经细胞的生物传感器、酶传感器、免[7][8][62][9][10][11]疫传感器以及微生物传感器等。3)多传感器的集成技术、融合与智能化技术,它不仅满足了对参数测量的要求,同时还可以使相互有影响的参数起互补作用,从而大大地提高了传感器的测量精度。4)特别是一些新的前沿的微电子技术的引入,比如纳米技术(Nanotechology)与微电子机[12][13]械技术(MicroelectronicMechanism) 等应用于生物医学传感器,将使得纳米封装技术与分子生物学技术的集成成为可能,同时也使得生物医学传感器从平面二维发展到了基于立体三维的微电子机械系统的传感器神经电极神经系统是人体的重要调节机构,它与内分泌系统、感觉器官一起,完成对人体各系统、器官机能的调节和控制,使人体成为完整的统一体并保持内外环境的平衡,即人的适应、协调和思维等重要功能。由于神经系统在人体中的关键作用,以及神经系统本身传递的是电信号(可以说它是人体与电子系统的一个重要且直接的界面),作为电子系统与神经系统的耦合部分?神经电极的设计显得格外重要。按工作性质神经电极可