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MEMS在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展/NUMPAGES11MEMS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MEMS在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展李曉云機電學(xué)院2120140162序言一個公認的事實是微電子是20世紀最有影響力的技術(shù)之一[1]。近半個世紀以來，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，若也能把機械與光學(xué)部分縮小，是否會為我們的生活帶來另一波的沖擊？從另一個角度來看，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？微機電系統(tǒng)科技就是這種能縮小機械、光學(xué)，且能感受聲、光、電、磁、味、冷、熱以及運動的系統(tǒng)科技，將是二十一世紀重要的產(chǎn)業(yè)科技，是智慧型高單價的產(chǎn)業(yè)技術(shù)[2]。MEMS的特點之一就是其涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。發(fā)展綜述目前微電子機械系統(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)致了人類認識能力和改造世界能力的重大突破，從而給國民經(jīng)濟、人民生活和軍事國防帶來了深遠影響[3]。它已成為以美國、日本、德國為代表的許多發(fā)達國家研究的熱點。美國是最早研究并試制微機械成功的國家。美國對微機械的研究始于六十年代中期，于八十年代后期引起普遍重視。美國國家基金會于1988年投入10美元科研啟動費，支持8所大學(xué)開始微電子機械系統(tǒng)的主要項目研究，1989年又將經(jīng)費增加到200萬美元。此后，每年投入500萬美元支持一些學(xué)校進行研究。1993年美國國家關(guān)鍵技術(shù)委員會在提交總統(tǒng)的報告中將“微、納米級的制造”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研究計劃局(ARPA)，在1995年財年的計劃中，將微電子機械系統(tǒng)視為直接關(guān)系國防與經(jīng)濟發(fā)展的高技術(shù)加以重點發(fā)展。此外美國航空航天公司在1993年就微機械對未來航天系統(tǒng)的潛在影響進行了調(diào)查和評估[4]。上世紀90年代以后，美國開始在軍用產(chǎn)品中推廣使用MEMS技術(shù)和產(chǎn)品。美國軍事研究機構(gòu)DARPA(國防高級研究計劃局)是進行軍用MEMS研究項目的計劃組織和推動機構(gòu)。如美國軍方推出的HI-MEMS計劃中，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，適時推出各種促進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。其用來進行MEMS產(chǎn)品生產(chǎn)的晶圓尺寸目前基本與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、計算機軟件、數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)等多位一體化發(fā)展的趨勢。同時，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(ADI)、飛思卡爾、樓氏電子(Knowles)、SiTime、惠普、IMT、SiliconMicrostructures(SMI)、GEInfrastructureSensing等。大部分半導(dǎo)體制造公司同時具有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)動向正在向生物神經(jīng)信號提取、大腦神經(jīng)元信息獲取和控制、3D環(huán)境識別、分子級化學(xué)成份識別、模擬動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市場銷售額份額為40.5%[5]。德國于九十年代初將微電子機械系統(tǒng)列為新開發(fā)的重點項目，并為之提供了4億馬克的經(jīng)費。德國工程師協(xié)會和德國電工協(xié)會下屬精密工具技術(shù)委員會統(tǒng)一協(xié)調(diào)微型機械的研究與開發(fā)，并組織全德的大學(xué)、研究所和企業(yè)進行研制，而且微型機械已列入大學(xué)的必修課程。德國在所從事微機械研究的單位主要有幕尼黑夫瑯霍費固體工藝研究所、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爾姆施塔特大學(xué)等。目前德國從事的微機械研究中創(chuàng)造了ILG微細加工工藝，并在微型泵、立體微型結(jié)構(gòu)、微型機械元件、懸臂執(zhí)行機構(gòu)中取得了令人注目的成績[4]。日本在微機械研究方面緊隨美國之后，作了大量的工作，目前已成為微機械研究最為熾熱的國度。日本已將微機械列入國家重點課題。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)主要從事微致動器與微器件及其應(yīng)用、微機電系統(tǒng)構(gòu)筑與控制方法、微細加工技術(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、微細加工技術(shù)，并且日本大學(xué)已成立微機械專業(yè)，正式培養(yǎng)專業(yè)從事微機械工作的本科生、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)的國家項目，推動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)造基地的形成”計劃課題——“微系統(tǒng)融合研究開發(fā)”啟動了產(chǎn)學(xué)合作項目。日本東北大學(xué)與理光、豐田汽車等11家公司于2007年夏季共同啟動了產(chǎn)學(xué)合作項目。目標是通過走在MEMS領(lǐng)域前沿的研究小組與擁有具體應(yīng)用對象的企業(yè)合作，使各種MEMS技術(shù)盡快達到實用水平。2009年日本在經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省的主導(dǎo)下設(shè)立名為JMEC(JapanMEMSEnhancementConsortium)的MEMS研發(fā)機構(gòu)，力爭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)項目的運營母體。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、夏普等。日本MEMS公司的最新技術(shù)發(fā)展動向主要有：智能視覺傳感器、快速圖像檢索、人機接口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)出聲音的機器人WT-4，使科學(xué)家們對大腦如何控制說話系統(tǒng)有了更深的了解。WT-4不僅使用機器肺臟與聲帶，還增加了機動靈活的舌頭、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市場份額為20.1%[5]。在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢生物醫(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精細的復(fù)雜系統(tǒng)，它形成的生物信息處理的優(yōu)異特性將會給電子學(xué)以重要的啟示，使電子信息科學(xué)以其為一個發(fā)展研究方向。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、作用力最大的一項關(guān)鍵技術(shù)就是微電子技術(shù)[7]。它主要表現(xiàn)在：1)實現(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)展實現(xiàn)其微型化[8]；2)按照目前微電子器件微型化趨勢，醫(yī)學(xué)器件尺寸很快就會達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微電子技術(shù)的發(fā)展[9]。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，因為它是實現(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)的測量和控制更加精確即達到分子和原子水平，從而把生物醫(yī)學(xué)帶入一個嶄新時代[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展，目前最值得關(guān)注的發(fā)展方向可概括為以下幾個方面[12]：充分利用已有的微電子和微加工技術(shù)以無機物為材料的生物醫(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；2)充分汲取了有機物的優(yōu)點利用有機物和無機物相結(jié)合的生物醫(yī)學(xué)傳感器，比如基于神經(jīng)細胞的生物傳感器、酶傳感器、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)，這樣不僅滿足了對參數(shù)測量的要求，同時還可以使相互有影響的參數(shù)起到互補的作用，從而大大地提高了傳感器的測量精度。4)納米技術(shù)與微電子機械技術(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，同時將生物醫(yī)學(xué)傳感器從二維發(fā)展到了基于立體三維的微電子機械系統(tǒng)的傳感器[8]。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，即實現(xiàn)在生命體自然狀態(tài)下體內(nèi)直接測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)計技術(shù)。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(shè)計技術(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)生過多熱量會對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)備拿出體外進行充電是不實際的，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行燃料電池反應(yīng)或利用生物體自身的機械能等；5)微弱信號的提取技術(shù)。生物信號都是微弱信號，而且往往存在著背景噪音都很強大的情況；6)一些前沿的數(shù)字信號處理技術(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)測技術(shù)來通過腦電實時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)良的生物材料來對集成電路進行封裝，這樣既能保證植入到體內(nèi)的系統(tǒng)不會對生命體造成危害，也能保證其能在人體環(huán)境中長期穩(wěn)定地工作[8]。生物芯片生物芯片是上世紀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功能分子進行組裝，構(gòu)建一個微功能的單元以實現(xiàn)信息的獲取、存儲、處理和傳輸?shù)裙δ?，來研制仿生信息處理系統(tǒng)和生物計算機[14]。上世紀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，可以進行各種生物反應(yīng)，具有多種操作功能、可以對DNA/RNA分子、活體細胞、蛋白分子乃至人體軟組織等進行快速并行分析和處理的微器件，簡稱之為片上的縮微實驗室。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]，聚合酶鏈擴增反應(yīng)(PCR)[16]、毛細管電泳[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，利用微電子、微機械、化學(xué)、物理和計算機等技術(shù)，使樣品檢測、分析過程能夠連續(xù)化、集成化、微型化和自動化[8]。MEMS技術(shù)與生物技術(shù)緊密結(jié)合是21世紀微電子領(lǐng)域的一個熱點[18]。其中生物微機電系統(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)，可以實現(xiàn)對生命機體的生物組分進行準確、快速、大信息量的檢測[19]。目前比較先進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數(shù)量巨大的生物活性探針，與待測的蛋白質(zhì)進行反應(yīng)后，把得到的信號轉(zhuǎn)化成電信號，再反饋給微型計算機。蛋白質(zhì)芯片生物傳感器主要使用在生物檢測上，它的靈敏度高，能實時直觀地顯示結(jié)果。參考文獻[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、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.[5]郭毅然.美日歐競相發(fā)展MEMS產(chǎn)業(yè)[N].中國電子報，2012-06-12010.[6]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.我國微機械技術(shù)發(fā)展概述[J].中原工學(xué)院學(xué)報,2010,06:64-67+75.