微電子技術在生物醫學中的應用論文

微電子技術與生物學之間有着非常緊密的聯繫。一方面微電子技術的發展，將大大地推動生物醫學的發展，另一方面生物醫學的研究成果同樣也將對微電子技術的發展起着巨大的促進作用。在這裏我將主要從生物醫學傳感器、植入式電子系統、生物芯片這三個方面結合當前國際上最新進展來介紹兩者之間的關係與發展。

　　一、引言

生物醫學電子學是由微電子學、生物和醫學等多學科交叉的邊緣科學，爲使得生物醫學領域的研究方式更加精確和科學，所以將電子學用於生物醫學領域。在生物醫學與電子學交叉作用部分中最活躍、最前沿、作用力最大的一項關鍵技術就是微電子技術。

特別是隨着集成電路集成度的提高和超大規模集成電路的發展，元件尺寸達到分子級，進入了分子電子學時代，用有機化合物低分子、高分子和生物分子作芯片，它們具有識別、採集、記憶、放大、開關、傳導等功能，更大大促進了醫學電子學的發展。

下面將主要從生物醫學傳感器、植入式電子系統、生物芯片這三個方面結合當前國際上最新進展來介紹兩者之間的關係與發展。

　　二、生物醫學傳感器

生物醫學傳感器的作用是把生物體和人體中包含的生命現象、狀態、性質、變量和成分等生理信息(包括物理量、化學量、生物量等)轉化爲與之有確定函數關係的電信息。生物醫學傳感器是生物醫學電子學中最關鍵的技術，它是連接生物醫學和電子學的橋樑。

主要可分爲如下幾類：電阻式傳感器，電容式傳感器，電感式傳感器，壓電式傳感器，光電傳感器，熱電式傳感器，光線傳感器，電化學傳感器以及生物傳感器等。

它通過各種化學、物理信號轉換器捕捉目標物與敏感膜之間的反應，然後將反應程度用連續的電信號表達出來，從而得出被檢測樣品的濃度。生物醫學傳感器的微型化和集成化是其中最重要的發展方向之一，其主要原因：1)它是實現生物醫學設備微型化、集成化的基礎;2)將使得生物醫學測量和控制更加精確——達到分子和原子水平。

是生物體成分(酶、抗原、抗體、激素、DNA) 或生物體本身(細胞、細胞器、組織)，它們能特異地識別各種被測物質並與之反應;後者主要有電化學電極、離子敏場效應晶體管( ISFET ) 、熱敏電阻器、光電管、光纖、壓電晶體(PZ) 等，其功能爲將敏感元件感知的生物化學信號轉變爲可測量的電信號。因而它具有快速大量處理信息的能力，和診斷精確的特點。

常見的生物醫學傳感器主要可分爲以下幾種：電阻式傳感器，電感式傳感器，電容式傳感器，壓電式傳感器，熱電式傳感器，光電傳感器以及生物傳感器等。

醫學領域的生物傳感器發揮着越來越大的作用。在臨牀醫學中，酶電極是最早研製且應用最多的一種傳感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可製成微生物傳感器，廣泛應用於：藥物分析、腫瘤監測、血糖分析等。

　　三、植入式電子系統

植入式電子系統是一種埋植在人體或生物體內的電子設備，它用來測量生命體內的生理、生化參數的變化，或用來診斷與治療一些疾病，即實現在生命體自然狀態下體內直接測量和控制功能或者代替功能殘缺的器官。

隨着高可靠性、低功率集成電路的發展，植入式電子系統的能源供給方式的多樣化，無毒性生物相容性等性能優良的生物材料研究的深入，以及顯微外科手術水平的不斷提高，使得植入式電子系統得到飛速的發展，植入式電子學已成爲生物醫學電子學中一個極爲重要的組成部分。

植入電子系統主要包括：植入式測量系統、植入式刺激器、植入式藥療(控制)裝置、植入式人工器官及輔助裝置等設備。採用植入式電子測量與控制裝置主要具有如下優點：1、可保證生物體在處於自然的生理狀態條件下對各種生理、生化參數進行連續的實時測量與控制;2、採用植入式測量裝置後可大大減少各種干擾因素，因此體內的各種信息不需經皮膚測量就可得到更加精確的數據;3、便於對器官和組織的直接調控，能獲得理想的刺激和控制響應，有利於損傷功能的恢復和病情的控制;4、可以用來治療某些疾病， 比如癲癇、癱瘓等;5、用來代替某些器官的功能，比如腎臟、四肢、耳蝸等。

植入式電子系統在微電子方面研究的關鍵技術主要有：1、植入式天線的設計技術。主要是解決效率與天線微型化之間的矛盾;2、RF射頻電路的設計技術。射頻電路是植入體內部分與體外部分通信的關鍵電路;3、低功耗植入式集成電路設計技術，它一方面是要保證植入式系統在有限能源的前提下能在體內長期穩定工作，另一方面是電路產生過多熱量會對生命體本身造成危害;4、植入式系統的能量供給技術。

由於經常把把植入體內設備拿出體外進行充電是不實際的，目前一般採用下述四種方式給體內供能：植入式電源、紅外線偶合供能、射頻供能或者是利用體內其他能量的轉換，比如溫差供電，利用血液中氫和氧進行燃料電池反應或利用生物體自身的機械能等;5、微弱信號的'提取技術。

生物信號都是微弱信號，而且往往存在着背景噪音都很強大的情況;6、一些前沿的數字信號處理技術的應用。比如利用人工神經網絡技術與線性預測技術來通過腦電實時控制多自由度的假肢的研究，以及基於小波變換的語音信號處理技術應用於人工耳蝸等;7、植入式電子系統的製作與封裝技術。

主要研究的是如何利用生物相容性優良的生物材料來對集成電路進行封裝，這樣既能保證植入到體內的系統不會對生命體造成危害，也能保證其能在人體環境中長期穩定地工作。

　　四、生物芯片

生物芯片是根據生物分子間特異相互作用的原理，將生化分析過程集成於芯片表面，從而實現對DNA、RNA、多肽、蛋白質以及其他生物成分的高通量快速檢測。狹義的生物芯片概念是指通過不同方法將生物分子固着於硅片、玻璃片(珠)、塑料片(珠)、凝膠、尼龍膜等固相遞質上形成的生物分子點陣。因此生物芯片技術又稱微陳列技術，含有大量生物信息的固相基質稱爲微陣列，又稱生物芯片。

生物芯片在此類芯片的基礎上又發展出微流體芯，亦稱微電子芯，也就是縮微實驗室芯片。

生物芯片的第一個應用領域是檢測基因表達。但是將生物分子有序地放在芯片上檢測生化標本的策略是具有廣泛的應用，對基因組DNA進行雜交分析可以檢測DNA編碼區和非編碼區單個鹼基改變、確失和插入，DNA雜交分析還可用於對DNA進行定量，這對檢測基因拷貝數和染色體的倍性是很重要的。因此生物芯片對於基因工程的發展具有重大意義。

　　五、結束語

現代和未來的信息社會中，信息處理系統要對自然和社會的各種變化做出反應，首先需要通過傳感器將外界的各種信息提取出來並轉換成信息系統中的信息處理單元(即計算機)能夠接收和處理的信號。微電子技術在這些領域中起的關鍵作用，生物醫學的發展對微電子技術也起了巨大促進作用，這兩者相互促進，，微電子技術的發展將爲生物醫學帶來巨大的變革，同樣生物醫學也將會給微電子技術的創新提供嶄新的思路。