神经科学是当今世界科学研究的热门领域之一。蓬勃发展的信息技术为神经科学的进步提供了强大技术支持。借助于先进的微电子制造技术和信息分析技术研究生命信息是当今神经科学研究的趋势。　　 从学科分类的角度,本论文研究内容属于微电子学与神经生物学的交叉研究领域,探求应用微电子技术研究神经信号的途径。从研究角度来说,神经信号的研究分为宏观神经束大规模信息的研究和微观神经元集群神经电活动研究。本文涉及所在课题组所从事的这两方面的研究工作。　　 生物体是一个复杂的系统,而神经则是这一复杂系统的中枢信息控制系统。神经生物学的研究将为人类深刻认知生命信息的本质发挥重要作用。神经系统中不同神经信号具有各自不同的生成、处理和传递规律,代表不同的信息,而且这些信息之间存在着密切的联系。就此来说,神经信息的研究是个庞大的工程。本文首先介绍了神经生物学研究的发展概况和课题背景,然后介绍了神经元的电学特性及神经动作电位在轴突内的传导,神经信号探测研究和激励研究。　　 本文的主要目标是采用标准CMOS工艺设计神经信号探测和激励用集成电路与模块,完成集成电路的设计、制造和测试并进行动物实验验证课题思想和电路性能,探索电子信息系统与生物体信息系统的接口方法。　　 多项目晶圆MPW(Multi-Project Wafer)计划是微电子产业中集成电路制造单位和集成电路设计单位之间的纽带。根据课题的设计要求,通过MPW计划联系到的芯片制造工艺是CSMC0.5μm DPDM CMOS工艺。　　 微观神经元电活动的研究是采用微电子技术:PCB加工技术和芯片制造技术,制作间距与神经元尺寸相当的微电极阵列,在微电极阵列表面培养神经元细胞,经过一定的培养周期形成神经元集群,在显微镜下观察神经元电活动现象。本文根据CSMC0.5μm DPDMCMOS工艺设计了单片集成MEA(MEA:Micro-Electrode-Array)系统芯片,包括14×14微电极阵列,阵列选通开关,激励信号通道14路,探测信号通道14路。　　 单片集成MEA系统及微电子电路设计要求如下:　　 (1)微电极既具有神经信号探测功能又须具有功能电激励功能,与微电子电路的探测通道和激励通道相连接；　　 (2)神经信号探测电路,能探测50μV-10mV的神经信号,频率范围是0～20kHz,探测电路增益60dB;　　 (3)激励电路设计为电压单位增益缓冲器,输出阻抗为欧姆量级;　　 (4)版图设计:MEA位于芯片的中央,信号探测通道和信号激励通道在阵列外围排布,可以减小微电子电路工作时,对MEA区域的电磁影响、温度影响和噪声干扰；　　 (5)版图尺寸的控制:系统集成占用大量芯片面积,为控制成本,版图尺寸是非常重要的指标,单元微电子电路的版图面积非常重要。　　 单片集成MEA系统属于全定制模拟集成电路的设计范畴,其中微电极阵列、微电子电路是系统核心单元。论文对系统设计、单元电路进行了详细讨论。设计难点在于噪声、功耗和版图尺寸等关键电学性能参数的优化,因此成为论文重点讨论的内容。单片集成MEA系统和分立神经元信号探测电路,采用CSMC0.5μm DPDM CMOS工艺设计完成和流片。芯片测试结果表明符合设计要求。　　 在国家自然科学基金“半导体集成化芯片系统基础研究”重大科学计划项目“植入式中枢神经功能重建SOC的设计与实验研究”课题的支持下,课题组王志功教授提出用微电子方法实现中枢神经功能再生。通过在体神经束电信号探测、放大和对神经束再激励,从而完成生物电到物理电再到生物电的转换再生,以期实现损伤神经束功能再生的目的。本论文对中枢神经功能重建进行了深入的研究,考虑本课题的特殊应用,再生系统芯片的设计要求如下:　　 (1)系统响应交流耦合设计:神经微电极耦合的生物体直流电位,会影响探测电路工作,同时神经信号时低频信号,所以低频拐点设计在1Hz左右；　　 (2)神经信号是非常微弱的信号,在几十微伏到几毫伏,因此微弱低频信号放大能力是本系统设计的关键之一；　　 (3)面向植入式微电子器件设计的再生系统,须具有极低的功耗；　　 本文依据此要求设计了三种专用于神经信号再生的放大系统,单元模块是两种高性能的运算放大器,分别为低功耗低噪声两级运算放大器和输入/输出轨到轨恒跨导高增益折叠运算放大器。三种芯片都采用CSMC0.5μm DPDM CMOS工艺设计完成和流片,测试结果表明符合设计要求。为进一步提高神经信号再生芯片的性能,针对采用CMOS工艺设计运放失调和噪声性能比较突出的问题,对采用斩波技术运算放大器的设计进行了研究。　　 神经信号再生系统芯片制作完成后,制作了微电子神经桥模块,进行了再生系统芯片的动物实验,采集到了脊蟾蜍坐骨神经的神经信号,并实现了一只脊蟾蜍的左腿伸缩动作控制另一只脊蟾蜍的左腿伸缩动作。动物实验验证了课题设计思想和本文设计微电子神经桥模块性能。