隨著生活水平的提高,，人們對于健康的意識也越來越強(qiáng)。事實(shí)上，集成電路在生物醫(yī)藥領(lǐng)域也扮演著重要角色，且隨著新的生物技術(shù)的普及,，集成電路在這些新生物醫(yī)療技術(shù)中的地位也會越來越高，生物芯片也將成為半導(dǎo)體中的一個(gè)重要細(xì)分市場。目前,，在每年的頂級半導(dǎo)體會議ISSCC中，生物芯片相關(guān)的議程已經(jīng)能到2-3個(gè),，已經(jīng)接近或超過一些傳統(tǒng)的方向（例如射頻電路和模擬放大器電路設(shè)計(jì)）的議程數(shù)量,，可見半導(dǎo)體芯片行業(yè)對于生物芯片的重視程度。

什么是生物芯片

生物芯片是一個(gè)非常大的概念,。從廣義上來說,，生物芯片可以指任何檢測生物信號的芯片，例如目前已經(jīng)在許多可穿戴設(shè)備上得到應(yīng)用的心率檢測等,。廣義的生物芯片事實(shí)上目前已經(jīng)得到了許多應(yīng)用,，本文則將更多地關(guān)注狹義的生物芯片。狹義的生物芯片是指芯片直接參與生物化學(xué)反應(yīng)并讀取相關(guān)信號的芯片,。這一點(diǎn)可以說是生物芯片和傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片的區(qū)別——傳統(tǒng)芯片主要是做數(shù)據(jù)讀取和處理,，而生物芯片則需要參與化學(xué)反應(yīng)獲取信號。由于生物芯片的這一特點(diǎn),，其使用的半導(dǎo)體器件也會和傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片有所不同,，而這也是生物芯片最有趣的地方。
生物芯片的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)莻鹘y(tǒng)半導(dǎo)體芯片沒有涉足的地方,。首先,，快速化學(xué)指標(biāo)檢測將是一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代人對于健康重視程度的提升,，對于各種生化指標(biāo)的持續(xù)監(jiān)測需求量也在快速提升,，使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室方法去做化學(xué)分析的速度很難跟上人群的需求，而生物芯片可以大大降低這些指標(biāo)檢測的難度并提升檢測速度,。舉例來說,，這次新冠疫情對于病毒檢測的需求就大大超出了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的能力，而英國初創(chuàng)公司DNANudge推出的基于生物芯片的解決方案可以把精確檢測新冠病毒時(shí)間降低到90分鐘,，能解決新冠檢測吞吐量的燃眉之急,，并因此獲得了英國政府超過一億英鎊的訂單。其次,，可穿戴設(shè)備上的持續(xù)生化信號檢測也將滿足人們對于慢病管理等領(lǐng)域的需求,。例如，使用生物芯片檢測淚液內(nèi)的血糖指數(shù)可以幫助糖尿病患者更好地管理血糖,，同時(shí)生物芯片也可以通過檢測汗液中的尿酸水平來幫助痛風(fēng)患者,。

生物芯片的技術(shù)細(xì)分

一個(gè)完整的生物芯片至少要能完成生化反應(yīng)和信號傳感，并且把相關(guān)信號能通過某種方法傳輸?shù)酵饨纭?/span>

傳感器可以說是生物芯片的核心技術(shù),，它決定了生物芯片能參與什么樣的生化反應(yīng),，能檢測什么樣的信號,，這就直接決定了生物芯片能應(yīng)用的領(lǐng)域。生物芯片的傳感部分使用的器件會和傳統(tǒng)的CMOS有所不同,，例如之前我們提到的DNANudge的生物芯片的核心技術(shù)就是ISFET（Ion-Sensitive Field-Effect Transistor,，對離子敏感場效應(yīng)管），ISFET可以通過檢測溶液中的離子濃度來實(shí)時(shí)測定pH酸堿度,。而pH值在許多生化反應(yīng)中都是一個(gè)非常重要的信號,，通過檢測pH值可以測定生化反應(yīng)的過程。舉例來說,，在PCR反應(yīng)中,，根據(jù)pH值可以檢測樣本中是否含有某種病毒的特定基因鏈段，從而使用ISFET就可以做生物芯片來檢測病毒基因片段,。DNANudge推出的生物芯片產(chǎn)品可以檢測新冠以及多種流感病毒,，從而大大加大病原體檢測的吞吐量。

ISFET結(jié)構(gòu)圖

除了ISFET之外,，石墨烯和碳納米管也是使用在生物芯片中的熱門器件,。例如，石墨烯可以制作柔性傳感器并監(jiān)控汗液內(nèi)的特定化學(xué)物質(zhì)濃度,，從而實(shí)現(xiàn)無侵入式生化指標(biāo)持續(xù)監(jiān)控,，為慢病患者的健康管理帶來福音。石墨烯和碳納米管作為下一代半導(dǎo)體材料和器件的代表,，其作為傳感器也擁有許多優(yōu)良的特性,，而生物芯片中石墨烯和碳納米管的廣泛應(yīng)用勢必將大大增加這些下一代材料和器件的落地速度。

石墨烯制作的柔性汗液生物傳感器
      數(shù)據(jù)傳輸也是生物芯片中的重要部分,。為了實(shí)現(xiàn)長期可佩戴檢測，生物芯片中的數(shù)據(jù)傳輸部分需要功耗非常低,，以避免電池成為限制生物芯片的瓶頸,。這些數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有多種可能的技術(shù)路徑，例如可以通過被動數(shù)據(jù)傳輸（即生物芯片根據(jù)傳感結(jié)果調(diào)整天線的反射阻抗,，這樣手機(jī)等主設(shè)備可以根據(jù)反射信號的幅度和相位來判斷生物芯片的信號,，從而避免生物芯片主動發(fā)送數(shù)據(jù)帶來的能量消耗），或者通過事件觸發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸（即僅僅在生物信號超過某個(gè)閾值范圍時(shí)才會觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸,，這樣在絕大多數(shù)數(shù)據(jù)正常時(shí)不會有數(shù)據(jù)傳輸,，從而節(jié)省能量），或者從環(huán)境中獲取能量（例如從佩戴者運(yùn)動的機(jī)械振動中獲取能量,，或者從佩戴者汗液中提取化學(xué)能）等,。這類低功耗數(shù)據(jù)傳輸電路也將成為生物芯片的重要技術(shù)門檻。

生物芯片未來預(yù)期

隨著大健康概念深入人心,，生物芯片無論是在可穿戴設(shè)備還是在醫(yī)院的檢測設(shè)備上都會得到大量應(yīng)用,。我們對長期非?？春蒙镄酒那熬埃窃谥卸唐趦?nèi)生物芯片也有一些瓶頸需要克服,。
生物芯片發(fā)展需要克服的第一個(gè)瓶頸就是新的半導(dǎo)體器件的量產(chǎn)問題,。目前來看，ISFET已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn),，但是石墨烯,、碳納米管等在生物芯片研究中常常出現(xiàn)的下一代半導(dǎo)體器件和材料落地尚需時(shí)日，如何在傳感器功能和半導(dǎo)體器件/材料量產(chǎn)成熟度之間做取舍將是決定生物芯片何時(shí)能落地的重要課題,。
第二個(gè)瓶頸是如何把生物芯片的技術(shù)環(huán)節(jié)全部打通,。如前文所討論的，生物芯片在芯片領(lǐng)域就包括了傳感器和低功耗數(shù)據(jù)傳輸兩大環(huán)節(jié),，而在芯片之外,，更是涉及許多生物醫(yī)藥相關(guān)的重要環(huán)節(jié)，因此如何能把這些都打通也是生物芯片能真正得到應(yīng)用的重要門檻,。
中國的生物芯片總體來看還處于起步階段,。我們認(rèn)為，中國在生物芯片的研究領(lǐng)域,，例如生物傳感器,，以及用于生物芯片的低功耗傳輸電路設(shè)計(jì)部分都處于全球前列。例如,，中國的碳納米管技術(shù)研究處于全球前列,，北大關(guān)于碳納米管量產(chǎn)的論文在不久之前登上了全球頂級期刊；在低功耗數(shù)據(jù)傳輸方面,，清華,、復(fù)旦和電子科大等也都有漂亮的研究工作。然而,，目前這些領(lǐng)域還處于各自為政的狀態(tài),，如果想要在國內(nèi)將生物芯片真正落地來提高人民群眾的健康水準(zhǔn)，還需要一些能將臨床研究,、生物傳感器和低功耗電路能統(tǒng)一起來的項(xiàng)目,，這樣才能真正打通生物芯片落地的各個(gè)環(huán)節(jié)。此外,，目前中國尚缺乏這類針對新興工藝的半導(dǎo)體代工廠支持,，如果中國能參考美國的SkyWater模式由政府牽頭做一家能為需要新型半導(dǎo)體傳感器的產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化做工藝開發(fā)和中小規(guī)模代工的代工廠，我們相信將會為生物芯片在中國的發(fā)展帶來巨大的支持,。