MEMS在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展

1、MEMS 在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展MEMS 在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展 李曉云 機(jī)電學(xué)院 2120140162 1 序言一個(gè)公認(rèn)的事實(shí)是微電子是 20 世紀(jì)最有影響力的技術(shù)之一 1。近半個(gè)世紀(jì) 以來，微電子從粗糙的單一電晶體到集有數(shù)百萬顆電晶體的微電腦芯片， 人類已 經(jīng)享受到他所帶給我們無窮的方便與樂趣。 如今，微電子產(chǎn)品幾乎無孔不入地影 響到生活的方方面面， 而這不過是把電子這一部分縮小而已。 試想， 若也能把機(jī) 械與光學(xué)部分縮小，是否會(huì)為我們的生活帶來另一波的沖擊？從另一個(gè)角度來 看，若把微電腦比同人的腦部，我們是否仍欠缺感受與發(fā)出各類信息的眼、耳、 鼻、舌與四肢？微機(jī)電系統(tǒng)科技就是這種能縮小機(jī)械、

2、光學(xué)，且能感受聲、光、 電、磁、味、冷、熱以及運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)科技，將是二十一世紀(jì)重要的產(chǎn)業(yè)科技，是 智慧型高單價(jià)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)2。MEMS的特點(diǎn)之一就是其涉及電子、機(jī)械、材料、 制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù) 發(fā)展的許多尖端成果。2 發(fā)展綜述目前微電子機(jī)械系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、 航天、 軍事、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等方 面，并導(dǎo)致了人類認(rèn)識(shí)能力和改造世界能力的重大突破， 從而給國民經(jīng)濟(jì)、 人民 生活和軍事國防帶來了深遠(yuǎn)影響 3。它已成為以美國、日本、德國為代表的許 多發(fā)達(dá)國家研究的熱點(diǎn)。美國是最早研究并試制微機(jī)械成功的國家。 美國對(duì)微機(jī)械的研究始于六十年 代中期，于八十

3、年代后期引起普遍重視。 美國國家基金會(huì)于 1988年投入 10 美元 科研啟動(dòng)費(fèi)，支持 8 所大學(xué)開始微電子機(jī)械系統(tǒng)的主要項(xiàng)目研究， 1989 年又將 經(jīng)費(fèi)增加到 200 萬美元。此后，每年投入 500萬美元支持一些學(xué)校進(jìn)行研究。 1993 年美國國家關(guān)鍵技術(shù)委員會(huì)在提交總統(tǒng)的報(bào)告中將 “微、 納米級(jí)的制造” 列為國 家關(guān)鍵技術(shù)。以發(fā)展兩用技術(shù)為宗旨的美國國際部高級(jí)研究計(jì)劃局（ARPA）,在1995 年財(cái)年的計(jì)劃中，將微電子機(jī)械系統(tǒng)視為直接關(guān)系國防與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高技 術(shù)加以重點(diǎn)發(fā)展。此外美國航空航天公司在 1993 年就微機(jī)械對(duì)未來航天系統(tǒng)的 潛在影響進(jìn)行了調(diào)查和評(píng)估 4。上世紀(jì) 90年代以后,

4、美國開始在軍用產(chǎn)品中推廣使用 MEMS 技術(shù)和產(chǎn)品。美國軍事研究機(jī)構(gòu) DARPA（ 國防高級(jí)研究計(jì)劃局 ）是 進(jìn)行軍用 MEMS 研究項(xiàng)目的計(jì)劃組織和推動(dòng)機(jī)構(gòu)。 如美國軍方推出的 HI-MEMS 計(jì)劃中， 將 MEMS 器件作為昆蟲仿生的重要領(lǐng)域； 美國政府為了支持 MEMS 發(fā) 展，適時(shí)推出各種促進(jìn) MEMS 發(fā)展的應(yīng)用規(guī)定， 如美國從 2007 年開始已要求所 有汽車采用輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）和電子穩(wěn)定控制器（ESC）等，加大MEMS 產(chǎn)品在汽車中的推廣措施。經(jīng)過長期的發(fā)展，其已發(fā)展為集官、產(chǎn)、學(xué)、研、金 融等為一體的較為完整的 MEMS 產(chǎn)業(yè)體系。其用來進(jìn)行 MEMS 產(chǎn)品生產(chǎn)的晶

5、圓 尺寸目前基本與 IC 同步，呈現(xiàn)大口徑化、智能化，與人體神經(jīng)元和大腦信息互 通互聯(lián)，與 IC 芯片、計(jì)算機(jī)軟件、數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)等多位一體化發(fā)展的趨 勢(shì)。同時(shí)，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷向軍事、醫(yī)療、生物、仿生學(xué)、航空航天等領(lǐng)域全方 位快速滲透和發(fā)展。目前美國主要的MEMS公司有德州儀器（TI）、模擬器件（ADl）、飛思卡爾、樓氏電子（Knowles）、SiTime、惠普、IMT、Silicon MiCrOStruCtureS（SMl）、GE Infrastructure SenSing等。大部分半導(dǎo)體制造公司同時(shí) 具有 MEMS 生產(chǎn)加工的業(yè)務(wù)。 從美國公司新近推出的 MEMS 產(chǎn)品來看， 其技術(shù)

6、 動(dòng)向正在向生物神經(jīng)信號(hào)提取、大腦神經(jīng)元信息獲取和控制、 3D 環(huán)境識(shí)別、分 子級(jí)化學(xué)成份識(shí)別、模擬動(dòng)物及人的五官和四肢能力等方向發(fā)展。 2011 年世界 排名前 10家 MEMS 公司中，美國占了 4家，分別是德州儀器 （第 1名）、惠普（第 2名）、樓氏（第 8名）、ADI（第9名）。2011年，美國MEMS企業(yè)的總銷售額約為 41.29 億美元，占世界 MEMS 市場(chǎng)銷售額份額為 40.5%5 。德國于九十年代初將微電子機(jī)械系統(tǒng)列為新開發(fā)的重點(diǎn)項(xiàng)目， 并為之提供了 4億馬克的經(jīng)費(fèi)。 德國工程師協(xié)會(huì)和德國電工協(xié)會(huì)下屬精密工具技術(shù)委員會(huì)統(tǒng)一 協(xié)調(diào)微型機(jī)械的研究與開發(fā)， 并組織全德的大學(xué)、 研

7、究所和企業(yè)進(jìn)行研制， 而且 微型機(jī)械已列入大學(xué)的必修課程。 德國在所從事微機(jī)械研究的單位主要有幕尼黑 夫瑯霍費(fèi)固體工藝研究所、 卡爾斯魯厄核研究中心微結(jié)構(gòu)研究所、 法蘭克福的巴 特勒研究所以及達(dá)爾姆施塔特大學(xué)等。 目前德國從事的微機(jī)械研究中創(chuàng)造了 ILG 微細(xì)加工工藝，并在微型泵、立體微型結(jié)構(gòu)、微型機(jī)械元件、懸臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)中取 得了令人注目的成績(jī) 4。日本在微機(jī)械研究方面緊隨美國之后， 作了大量的工作， 目前已成為微機(jī)械 研究最為熾熱的國度。 日本已將微機(jī)械列入國家重點(diǎn)課題。 以東京大學(xué)、 東北大 學(xué)、名古屋大學(xué)為首的高校正著手于微機(jī)械的基礎(chǔ)研究， 并各有千秋。 其中東京大學(xué)主要從事微致動(dòng)器與微

8、器件及其應(yīng)用、 微機(jī)電系統(tǒng)構(gòu)筑與控制方法、 微細(xì)加 工技術(shù)、微小孔加工、 微復(fù)合加工和微裝配技術(shù)， 東北大學(xué)主要從事微型傳感器、 微型閥、微型泵以及微致動(dòng)器等的研究， 名古屋大學(xué)主要從事微操作系統(tǒng)的研究， 早稻田大學(xué)主要從事微切割的研究、 微細(xì)加工技術(shù)， 并且日本大學(xué)已成立微機(jī)械 專業(yè)，正式培養(yǎng)專業(yè)從事微機(jī)械工作的本科生、碩士生和博士生。此外，包括日 立、索尼、松下大公司在內(nèi)的 25 家大公司參與微機(jī)械工藝制造技術(shù) 4。日本政 府從 2007 年起相繼推出了與 MEMS 相關(guān)的國家項(xiàng)目，推動(dòng) MEMS 相關(guān)開發(fā)。 2007 年夏季，日本文部科學(xué)省科學(xué)技術(shù)及學(xué)術(shù)政策局推出“尖端融合領(lǐng)域革新 創(chuàng)造

9、基地的形成”計(jì)劃課題“微系統(tǒng)融合研究開發(fā)”啟動(dòng)了產(chǎn)學(xué)合作項(xiàng)目。 日本東北大學(xué)與理光、 豐田汽車等 11家公司于 2007 年夏季共同啟動(dòng)了產(chǎn)學(xué)合作 項(xiàng)目。目標(biāo)是通過走在 MEMS 領(lǐng)域前沿的研究小組與擁有具體應(yīng)用對(duì)象的企業(yè) 合作，使各種 MEMS 技術(shù)盡快達(dá)到實(shí)用水平。 2009 年日本在經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的主導(dǎo) 下設(shè)立名為 JMEC（JaPan MEMS Enhancement COnSOrtium的 MEMS 研發(fā)機(jī)構(gòu)，力 爭(zhēng)成為國際性的開放式產(chǎn)官學(xué)協(xié)作研發(fā)基地。JMEC設(shè)在日本產(chǎn)業(yè)綜合研究所、物質(zhì)材料機(jī)構(gòu)及筑波大學(xué)聯(lián)手的納米科技研發(fā)基地 “筑波納米科技基地” 內(nèi)，成 為 MEMS 相關(guān)項(xiàng)目的運(yùn)營

10、母體。日本主要的 MEMS 公司有豐田電裝 DENSO、 松下、歐姆龍（Omron）、Matsushita、沖電氣（Oki）、村田制作所（MUrata）、愛普生、 三菱電機(jī)、夏普等。日本 MEMS 公司的最新技術(shù)發(fā)展動(dòng)向主要有：智能視覺傳 感器、快速圖像檢索、人機(jī)接口 MEMS 器件、智能汽車感應(yīng)系統(tǒng)等。如：日本 東京早稻田大學(xué)研制出通過肺、舌頭、聲帶和喉嚨發(fā)出聲音的機(jī)器人WT-4 ,使科學(xué)家們對(duì)大腦如何控制說話系統(tǒng)有了更深的了解。 WT-4 不僅使用機(jī)器肺臟與 聲帶,還增加了機(jī)動(dòng)靈活的舌頭、柔軟的上腭、嘴唇和牙齒,能夠更加清晰地讀 出日本字母發(fā)音等,能模仿人類的聲音。 2011年世界前 10

11、 名 MEMS 公司中, 日本有 4家入圍,數(shù)量與美國相等, 但銷售額較美國小些。 分別是佳能 （第 5名）、 松下（第 6名）、電裝（第 7名）、愛普生（第 10名）。 2011年,日本 MEMS 產(chǎn)業(yè)的 銷售額約為 20.289 億美元,占世界 MEMS 市場(chǎng)份額為 20.1%5 。3 在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)是由電子學(xué)、 生物和醫(yī)學(xué)等多學(xué)科交叉的一門邊緣科學(xué), 為 使得生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究方式更加精確和科學(xué), 所以將電子學(xué)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域6 。生物體本身就是一個(gè)精細(xì)的復(fù)雜系統(tǒng),它形成的生物信息處理的優(yōu)異特性 將會(huì)給電子學(xué)以重要的啟示， 使電子信息科學(xué)以其為一個(gè)發(fā)展研究方向。

12、在生物 醫(yī)學(xué)與電子學(xué)交叉作用部分中最活躍、 最前沿、作用力最大的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是 微電子技術(shù) 7 。它主要表現(xiàn)在： 1）實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備的集成化和微型化是生物醫(yī)學(xué)電子 學(xué)的一個(gè)主要發(fā)展方向，體現(xiàn)在神經(jīng)電極、生物醫(yī)學(xué)傳感器、監(jiān)護(hù)技術(shù)、植入式 電子系統(tǒng)、生物芯片等方面，微電子技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)其微型化 8 ； 2）按照目前 微電子器件微型化趨勢(shì)， 醫(yī)學(xué)器件尺寸很快就會(huì)達(dá)到分子和原子的水平， 為人們 更加精確地研究生物體提供了條件； 3）借鑒生物醫(yī)學(xué)的最新成果，在很大程度上 能促進(jìn)微電子技術(shù)的發(fā)展 9 。3.1生物醫(yī)學(xué)傳感器生物醫(yī)學(xué)傳感器的作用是把人體中和生物體包含的生命現(xiàn)象、性質(zhì)、狀態(tài)、 成分和變

13、量等生理信息轉(zhuǎn)化為與之有確定函數(shù)關(guān)系的電子信息。 生物醫(yī)學(xué)傳感器 是連接生物醫(yī)學(xué)和電子學(xué)的橋梁， 所以說它是生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)中一項(xiàng)最關(guān)鍵的技 術(shù)。主要可分為以下幾種：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 10 。其中最重要的發(fā)展方向之一就是生物醫(yī)學(xué)傳感器的集成化和微型化， 因?yàn)樗?是實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)設(shè)備集成化和微型化的基礎(chǔ)， 它發(fā)展將使得生物醫(yī)學(xué)的測(cè)量和控 制更加精確即達(dá)到分子和原子水平，從而把生物醫(yī)學(xué)帶入一個(gè)嶄新時(shí)代11。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展， 生物醫(yī)學(xué)傳感器在集成化和微型化方面也取得 了很大進(jìn)展，目前最值得關(guān)注的發(fā)展方向可概括為以

14、下幾個(gè)方面 12 ：充分利用 已有的微電子和微加工技術(shù)以無機(jī)物為材料的生物醫(yī)學(xué)傳感器的研究， 主要是基 于 CMOS 工藝傳感器的研制和設(shè)計(jì)； 2） 充分汲取了有機(jī)物的優(yōu)點(diǎn)利用有機(jī)物和 無機(jī)物相結(jié)合的生物醫(yī)學(xué)傳感器，比如基于神經(jīng)細(xì)胞的生物傳感器、酶?jìng)鞲衅鳌?免疫傳感器以及微生物傳感器等。 3）多傳感器的集成技術(shù)、融合與智能化技術(shù)， 這樣不僅滿足了對(duì)參數(shù)測(cè)量的要求， 同時(shí)還可以使相互有影響的參數(shù)起到互補(bǔ)的 作用，從而大大地提高了傳感器的測(cè)量精度。 4）納米技術(shù)與微電子機(jī)械技術(shù)這些 新的前沿的微電子技術(shù)的引入， 為納米封裝技術(shù)與分子生物學(xué)技術(shù)的集成提供了 技術(shù)支持，同時(shí)將生物醫(yī)學(xué)傳感器從二維發(fā)展到

15、了基于立體三維的微電子機(jī)械系 統(tǒng)的傳感器 8 。3.2 植入式電子系統(tǒng)植入式電子系統(tǒng)是一種埋植在人體或生物體內(nèi)的電子設(shè)備， 它用來測(cè)量生命 體內(nèi)的生理、生化參數(shù)的變化， 或用來診斷與治療一些疾病， 即實(shí)現(xiàn)在生命體自 然狀態(tài)下體內(nèi)直接測(cè)量和控制功能或者代替功能殘缺的器官。 隨著高可靠性、 低 功率集成電路的發(fā)展， 植入式電子系統(tǒng)的能源供給方式的多樣化， 無毒性生物相 容性等性能優(yōu)良的生物材料研究的深入， 以及顯微外科手術(shù)水平的不斷提高， 使 得植入式電子系統(tǒng)得到飛速的發(fā)展 13 。植入式電子系統(tǒng)在微電子方面研究的關(guān)鍵技術(shù)主要有： 1）植入式天線的設(shè)計(jì) 技術(shù)。主要是解決效率與天線微型化之間的矛盾；

16、 2）RF 射頻電路的設(shè)計(jì)技術(shù)。 射頻電路是植入體內(nèi)部分與體外部分通信的關(guān)鍵電路； 3） 低功耗植入式集成電路 設(shè)計(jì)技術(shù)，它一方面是要保證植入式系統(tǒng)在有限能源的前提下能在體內(nèi)長期穩(wěn)定 工作，另一方面是電路產(chǎn)生過多熱量會(huì)對(duì)生命體本身造成危害； 4）植入式系統(tǒng)的 能量供給技術(shù)。 由于經(jīng)常把把植入體內(nèi)設(shè)備拿出體外進(jìn)行充電是不實(shí)際的， 目前 一般采用下述四種方式給體內(nèi)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(nèi)其他能量的轉(zhuǎn)換， 比如溫差供電、 利用血液中氫和氧進(jìn)行燃料電池 反應(yīng)或利用生物體自身的機(jī)械能等； 5）微弱信號(hào)的提取技術(shù)。生物信號(hào)都是微弱 信號(hào)，而且往往存在著背景噪音都很強(qiáng)

17、大的情況； 6）一些前沿的數(shù)字信號(hào)處理技 術(shù)的應(yīng)用。比如利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與線性預(yù)測(cè)技術(shù)來通過腦電實(shí)時(shí)控制多自 由度的假肢的研究，以及基于小波變換的語音信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于人工耳蝸等； 7）植入式電子系統(tǒng)的制作與封裝技術(shù)。 主要研究的是如何利用生物相容性優(yōu)良的 生物材料來對(duì)集成電路進(jìn)行封裝， 這樣既能保證植入到體內(nèi)的系統(tǒng)不會(huì)對(duì)生命體 造成危害，也能保證其能在人體環(huán)境中長期穩(wěn)定地工作 8 。3.3 生物芯片生物芯片是上世紀(jì) 80 年代提出的，最初指的是分子電子器件。試圖把生物 活性分子或有機(jī)功能分子進(jìn)行組裝，構(gòu)建一個(gè)微功能的單元以實(shí)現(xiàn)信息的獲取、 存儲(chǔ)、處理和傳輸?shù)裙δ?，來研制仿生信息處理系統(tǒng)和

18、生物計(jì)算機(jī) 14 。上世紀(jì) 90 年代以來，其概念發(fā)生了變化。生物芯片指的是集成了數(shù)目巨大的生命信息， 可以進(jìn)行各種生物反應(yīng)， 具有多種操作功能、 可以對(duì) DNA/RNA 分子、活體細(xì)胞、 蛋白分子乃至人體軟組織等進(jìn)行快速并行分析和處理的微器件， 簡(jiǎn)稱之為片上的 縮微實(shí)驗(yàn)室。 其材料的選擇很廣泛， 可以用半導(dǎo)體工業(yè)中常用的硅還可以用如玻 璃、陶瓷或塑料等其他材料。目前已有多種生物芯片出現(xiàn)，而最具代表性的是基 因芯片15,聚合酶鏈擴(kuò)增反應(yīng)（PCR）16、毛細(xì)管電泳17等芯片。生物芯片的 技術(shù)主要是依賴于分子生物學(xué)、微加工與微電子等三方面技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，它 是將生命科學(xué)研究中所涉及的許多分析步驟

19、，利用微電子、微機(jī)械、化學(xué)、物理 和計(jì)算機(jī)等技術(shù)，使樣品檢測(cè)、分析過程能夠連續(xù)化、集成化、微型化和自動(dòng)化8。MEMS技術(shù)與生物技術(shù)緊密結(jié)合是21世紀(jì)微電子領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)18。其 中生物微機(jī)電系統(tǒng)（Bo-iMEMS）是在生物醫(yī)學(xué)工程中使用的 MEMS ,其中最明顯 的就是生物芯片。由尺度效應(yīng)可以知道，MEMS可以靈敏、準(zhǔn)確、低成本和微創(chuàng)地應(yīng)用于生物芯片領(lǐng)域。通過 MEMS的微加工技術(shù)和微電子技術(shù)在固體芯片 表面構(gòu)建微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生命機(jī)體的生物組分進(jìn)行準(zhǔn)確、快 速、大信息量的檢測(cè)19。目前比較先進(jìn)的生物芯片是蛋白質(zhì)芯片生物傳感器 20,這種傳感器使用微加工技術(shù)，在傳感器的表面固定

20、數(shù)量巨大的生物活性探 針，與待測(cè)的蛋白質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)后，把得到的信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再反饋給微型計(jì) 算機(jī)。蛋白質(zhì)芯片生物傳感器主要使用在生物檢測(cè)上，它的靈敏度高，能實(shí)時(shí)直觀地顯示結(jié)果。4 參考文獻(xiàn)1王淑華.MEMS傳感器現(xiàn)狀及應(yīng)用J.微納電子技術(shù)，2011, 08: 516-522.2趙正平.典型MEMS和可穿戴傳感技術(shù)的新發(fā)展J.微納電子技術(shù)， 2015，01： 1-13.3丁雯彬.MEMS如何貢獻(xiàn)于傳感世界（英文）A.中國電子器材總公司、中 國RFID產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟.2012傳感世界暨物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用峰會(huì)、中國健康物聯(lián)網(wǎng)（上海）高峰論壇論文集C.中國電子器材總公司、中國 RFID產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟：，2012： 1.4微米.納米技術(shù)文集J. 1994.郭毅然.美日歐競(jìng)相發(fā)展MEMS產(chǎn)業(yè)N.中國電子報(bào)，2012-06-12010.張玲娜，魏娜，馬艷，王興軍.生物傳感器在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)模式中的應(yīng)用J.現(xiàn) 代電子技術(shù)，2013，20:131-135.7曹相民.光電子信息工程專業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景J.產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2015，03:86-87.8 路明 ,趙則祥 ,王長路 . 我國微機(jī)械技術(shù)發(fā)展概述 J. 中原工學(xué)院學(xué) 報(bào),2010,06:64-6