微电子概论与前沿技术 课件 第11章　微电子与智能生物

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Microelectronics微电子概论与前沿技术微电子与智能生物篇目录123章节介绍神经形态器件与人工智能芯片智能生物传感器4微流控芯片技术v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景3章节解析一、章节介绍神经形态器件与人工智能芯片冯·诺依曼架构工作原理传感器分类及优点智能生物传感器应用微流控技术概念基于微流控的即时诊断细胞操控和材料合成微流控芯片智能生物传感器微流控芯片技术掌握知识：冯·诺依曼架构和感存算一体架构特点、常见的非易失存储器结构。掌握知识：智能生物传感器的工作原理及特点、智能生物传感器的应用。掌握知识：柔性电子技术概念、柔性电子应用领域。感存算一体架构非易失存储器人工智能芯片目录123章节介绍神经形态器件与人工智能芯片智能生物传感器4微流控芯片技术v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景5冯·诺依曼架构与感存算一体架构二、神经形态器件与人工智能芯片基于传统冯诺依曼体系的计算架构基于感存算一体的计算架构存储、计算、传感分离存储、计算、感知融合动态功耗降低冯·诺依曼架构：以CPU为中心、按顺序执行、程序与数据共享存储空间，但存在因频繁数据搬运导致的性能与能效瓶颈感存算一体架构：

在物理层面融合感知、存储与计算功能，直接在数据源头或存储单元附近进行高效并行处理，旨在从根本上解决数据搬运瓶颈带来的高延迟与高能耗问题。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景6冯·诺依曼架构与感存算一体架构二、神经形态器件与人工智能芯片特性冯·诺依曼架构感存算一体架构核心特点存储程序、程序控制、顺序执行物理融合感/存/算、数据本地处理（近处理）、高度并行数据流指令/数据在CPU与内存间频繁来回传输数据在感/存/算融合单元内或极近距离处理，传输最小化主要瓶颈冯·诺依曼瓶颈（内存墙、总线墙）设计复杂性、精度、通用性并行性有限（依赖CPU多核/超线程/向量指令）极高（大规模空间并行）通用性高（适合各种复杂通用任务）较低（通常针对特定任务优化，如图像/语音处理、AI推理）精度高（全数字，精度可控）可能较低（尤其模拟实现，易受噪声干扰）成熟度非常成熟（主流架构）感算一体较成熟，存算一体/感存算一体处于发展中典型应用通用计算、服务器、PC、手机操作系统等边缘AI、智能视觉传感器、物联网节点、高速模式识别、低功耗实时处理v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景7非易失存储器二、神经形态器件与人工智能芯片非易失存储器是一种在断电后仍能长期保持所存储信息的半导体器件。核心特性：

断电后数据不丢失(持久存储)。常见实例：

闪存（U盘、SSD）、ROM、硬盘、新型存储器（PCM、ReRAM、MRAM等）浮栅晶体管低功耗优势神经突触的模拟模拟记忆功能模拟感知功能模拟大脑学习行为忆阻器铁电、相变晶体管共性：非易失性存储（电存储、光存储）v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景8非易失存储器-阻变存储器（RRAM）二、神经形态器件与人工智能芯片基本概念：利用介质材料（如氧化物）在外部电压作用下发生可逆电阻转变（高阻态/低阻态）实现数据存储。器件结构：核心结构通常由“三明治”式堆叠组成，即上下两个电极之间夹着一层能发生电阻转变的介质层。工作原理：通过施加外部电压，控制介质层内部导电细丝（如氧空位链）的可逆形成（低阻态/Set）或断裂（高阻态/Reset），来实现不同电阻状态（对应0和1）的非易失存储。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景9非易失存储器-铁电存储器（FeAM）二、神经形态器件与人工智能芯片基本概念：利用铁电材料（如PZT、SBT）自发极化方向在外加电场下可逆翻转特性实现非易失存储的存储器。器件结构：其核心单元通常采用电容结构（1T1C或2T2C），即晶体管与包含铁电材料的存储电容集成。工作原理：通过施加特定方向的电场，控制铁电材料内部铁电畴的极化方向（上/下），其剩余极化状态（对应0和1）在断电后仍能保持，从而实现数据存储与读取。铁电晶体管非易失全铁电晶体管IV曲线示意图v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景10非易失存储器-浮栅晶体管（FGFET）二、神经形态器件与人工智能芯片基本概念：利用悬浮于栅介质中与外界隔绝的导电栅极（浮栅）来存储电荷，从而实现非易失存储的器件。器件结构：在MOSFET晶体管的栅极下方插入一层被绝缘层完全包围的导电浮栅。工作原理：通过在控制栅施加高电压，使电荷（电子/空穴）通过量子隧穿效应注入或移出浮栅，改变晶体管的阈值电压（对应0和1状态），实现数据的写入、擦除和读取。传统浮栅器件结构擦、写、读状态下的能带示意图阈值电压漂移表明存储窗口v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景11人工智能芯片二、神经形态器件与人工智能芯片人类神经系统与人工神经系统的比较人工智能芯片是为高效执行机器学习算法（如矩阵运算、并行计算）而设计的专用硬件加速器，通过优化架构（如脉动阵列/存算一体）与指令集，显著提升AI任务（训练/推理）的计算效率与能效比。特征说明专用性针对AI负载（CNN/RNN/Transformer）优化，非通用CPU/GPU核心架构▪

计算单元：高并行矩阵乘法器（TPU/NPU）<br>▪

存储层级：近存/存算一体（减少数据搬运）关键指标TOPS（TeraOperationsPerSecond）算力&TOPS/W（能效比）典型类型▪

训练芯片：大算力+高精度（如NVIDIAA100）<br>▪

推理芯片：低延时+高能效（如华为昇腾）目录123章节介绍神经形态器件与人工智能芯片智能生物传感器4微流控芯片技术v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景13生物传感器工作原理三、智能生物传感器生物识别元器件：对待分析物具有亲和力，其与待分析物特异性相结合时会发生生化反应，从而产生光、声音、pH或质量变化形式的信号；换能器：将生成的信号转换为与待分析物-生物识别元器件相互作用的数量成正比且可测量的信号基本概念：生物传感器是指通过产生与待分析物浓度成比例的可测量信号来测量生物反应的一种独立装置，由生物识别元器件和换能器组成。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景14生物传感器的分类三、智能生物传感器根据输出信号产生方式不同：分为生物亲合型生物传感器、代谢型或催化型生物传感器。根据信号转换器的不同：分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测光型生物传感器、测热型生物传感器、测声型生物传感器等。根据敏感材料的不同：分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、细胞器传感器、组织传感器。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景15生物传感器的优点三、智能生物传感器（1）根据生物反应的特异性和多样性，理论上人们可以研制出测定所有生物物质的传感器，因而生物传感器的测定范围广泛。（2）一般不需要进行样品的预处理，因为生物传感器利用本身具备的优良的选择性把样品中被测组分的分离和检测统为一体，测定时一般不需要另加其他试剂，测定过程简便迅速，容易实现自动分析。（3）体积小、响应快、样品用量少，可以实现连续在线检测。（4）通常其敏感材料是固定化生物识别元器件，可反复使用。（5）准确度高，一般相对误差可在1%以内。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景16生物传感器的应用-智能伤口敷料的荧光可穿戴生物传感器。三、智能生物传感器将集成在伤口敷料上的智能可穿戴生物传感器植入伤口中后，该传感器能够连续监测重要参数，并向临床医生或患者实时反馈伤口状态。这使得临床医生能够迅速做出反应并进行适当的抗菌治疗，而不会影响患者伤口的愈合过程。目前，该传感器包括三种：荧光传感器、色度传感器和电化学传感器。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景17生物传感器的应用-检测人体汗液的纸基智能可穿戴生物传感器。三、智能生物传感器纸基智能可穿戴生物传感器通过检测汗液中某些物质的含量和变化来反映被测者的一些生理信息。此外，人体汗液可以很容易地通过全身的汗腺获得，其是集成非侵入性检测的合适介质。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景18生物传感器的应用-基于眼镜结构的智能可穿戴生物传感器。三、智能生物传感器包含收集眼泪的流体装置、电化学流量检测器、无线电子元器件和眼镜支撑系统。与其他泪液检测平台不同，该传感器不仅可以实现无创采集，而且可以实时测量泪液成分，还可以避免直接接触眼表及眼内组织，减少眼部感染及视力受损的可能。目录123章节介绍神经形态器件与人工智能芯片智能生物传感器4微流控芯片技术v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景微流控技术概念四、微流控芯片技术微流控技术（Microfluidics）

是一种在微米尺度（通常通道尺寸为10-100μm）通道网络中精确操控微量流体（纳升至皮升级）的跨学科技术。它通过集成泵、阀、混合器、传感器等功能单元，在芯片上构建"芯片实验室"（Lab-on-a-Chip）系统，实现化学、生物反应的高效自动化操作，核心目标是将传统实验室的复杂流程微型化、集成化和自动化。20微流控技术生命科学化学合成环境监测即时诊断POCT单细胞分析器官芯片微反应器纳米材料可控合成便携式水质监测v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景基于微流控的即时诊断四、微流控芯片技术随着人口的快速增长，世界范围内的非传染性疾病（如癌症、心脏病）和传染性疾病（如SARS）微流控检测分析芯片是新一代即时检测（PointofCareTesting，POCT）的主流技术，也是体外诊断（InVitroDiagnosis，IVD）最重要的表现形式，特别是在疾病的诊断和检测方面具有重要的应用和研究价值。21基于纸基微流控芯片的诊断检测具有成本低、易操作、一次性等优点，在POCT领域获得了越来越多的研究者的关注。纸基微流控芯片在生态保护、环境检测、食品安全和人类健康等领域具有重要的研究和应用价值。纸基微流控芯片的蛋白质和葡萄糖检测结构v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景细胞操控和材料合成微流控芯片四、微流控芯片技术细胞操控和材料合成微流控芯片是对哺乳动