MEMS在医学中的应用与发展

MEMS在医学中的应用与发展MEMS在医学中的应用与发展/NUMPAGES11MEMS在医学中的应用与发展MEMS在医学中的应用与发展MEMS在医学中的应用与发展李晓云机电学院2120140162序言一个公认的事实是微电子是20世纪最有影响力的技术之一[1]。近半个世纪以来，微电子从粗糙的单一电晶体到集有数百万颗电晶体的微电脑芯片，人类已经享受到他所带给我们无穷的方便与乐趣。如今，微电子产品几乎无孔不入地影响到生活的方方面面，而这不过是把电子这一部分缩小而已。试想，若也能把机械与光学部分缩小，是否会为我们的生活带来另一波的冲击？从另一个角度来看，若把微电脑比同人的脑部，我们是否仍欠缺感受与发出各类信息的眼、耳、鼻、舌与四肢？微机电系统科技就是这种能缩小机械、光学，且能感受声、光、电、磁、味、冷、热以及运动的系统科技，将是二十一世纪重要的产业科技，是智慧型高单价的产业技术[2]。MEMS的特点之一就是其涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。发展综述目前微电子机械系统已广泛应用于生物医学、航天、军事、工业和农业等方面，并导致了人类认识能力和改造世界能力的重大突破，从而给国民经济、人民生活和军事国防带来了深远影响[3]。它已成为以美国、日本、德国为代表的许多发达国家研究的热点。美国是最早研究并试制微机械成功的国家。美国对微机械的研究始于六十年代中期，于八十年代后期引起普遍重视。美国国家基金会于1988年投入10美元科研启动费，支持8所大学开始微电子机械系统的主要项目研究，1989年又将经费增加到200万美元。此后，每年投入500万美元支持一些学校进行研究。1993年美国国家关键技术委员会在提交总统的报告中将“微、纳米级的制造”列为国家关键技术。以发展两用技术为宗旨的美国国际部高级研究计划局(ARPA)，在1995年财年的计划中，将微电子机械系统视为直接关系国防与经济发展的高技术加以重点发展。此外美国航空航天公司在1993年就微机械对未来航天系统的潜在影响进行了调查和评估[4]。上世纪90年代以后，美国开始在军用产品中推广使用MEMS技术和产品。美国军事研究机构DARPA(国防高级研究计划局)是进行军用MEMS研究项目的计划组织和推动机构。如美国军方推出的HI-MEMS计划中，将MEMS器件作为昆虫仿生的重要领域；美国政府为了支持MEMS发展，适时推出各种促进MEMS发展的应用规定，如美国从2007年开始已要求所有汽车采用轮胎压力监测系统(TPMS)和电子稳定控制器(ESC)等，加大MEMS产品在汽车中的推广措施。经过长期的发展，其已发展为集官、产、学、研、金融等为一体的较为完整的MEMS产业体系。其用来进行MEMS产品生产的晶圆尺寸目前基本与IC同步，呈现大口径化、智能化，与人体神经元和大脑信息互通互联，与IC芯片、计算机软件、数据采集和处理技术等多位一体化发展的趋势。同时，应用领域也不断向军事、医疗、生物、仿生学、航空航天等领域全方位快速渗透和发展。目前美国主要的MEMS公司有德州仪器(TI)、模拟器件(ADI)、飞思卡尔、楼氏电子(Knowles)、SiTime、惠普、IMT、SiliconMicrostructures(SMI)、GEInfrastructureSensing等。大部分半导体制造公司同时具有MEMS生产加工的业务。从美国公司新近推出的MEMS产品来看，其技术动向正在向生物神经信号提取、大脑神经元信息获取和控制、3D环境识别、分子级化学成份识别、模拟动物及人的五官和四肢能力等方向发展。2011年世界排名前10家MEMS公司中，美国占了4家，分别是德州仪器(第1名)、惠普(第2名)、楼氏(第8名)、ADI(第9名)。2011年，美国MEMS企业的总销售额约为41.29亿美元，占世界MEMS市场销售额份额为40.5%[5]。德国于九十年代初将微电子机械系统列为新开发的重点项目，并为之提供了4亿马克的经费。德国工程师协会和德国电工协会下属精密工具技术委员会统一协调微型机械的研究与开发，并组织全德的大学、研究所和企业进行研制，而且微型机械已列入大学的必修课程。德国在所从事微机械研究的单位主要有幕尼黑夫琅霍费固体工艺研究所、卡尔斯鲁厄核研究中心微结构研究所、法兰克福的巴特勒研究所以及达尔姆施塔特大学等。目前德国从事的微机械研究中创造了ILG微细加工工艺，并在微型泵、立体微型结构、微型机械元件、悬臂执行机构中取得了令人注目的成绩[4]。日本在微机械研究方面紧随美国之后，作了大量的工作，目前已成为微机械研究最为炽热的国度。日本已将微机械列入国家重点课题。以东京大学、东北大学、名古屋大学为首的高校正着手于微机械的基础研究，并各有千秋。其中东京大学主要从事微致动器与微器件及其应用、微机电系统构筑与控制方法、微细加工技术、微小孔加工、微复合加工和微装配技术，东北大学主要从事微型传感器、微型阀、微型泵以及微致动器等的研究，名古屋大学主要从事微操作系统的研究，早稻田大学主要从事微切割的研究、微细加工技术，并且日本大学已成立微机械专业，正式培养专业从事微机械工作的本科生、硕士生和博士生。此外，包括日立、索尼、松下大公司在内的25家大公司参与微机械工艺制造技术[4]。日本政府从2007年起相继推出了与MEMS相关的国家项目，推动MEMS相关开发。2007年夏季，日本文部科学省科学技术及学术政策局推出“尖端融合领域革新创造基地的形成”计划课题——“微系统融合研究开发”启动了产学合作项目。日本东北大学与理光、丰田汽车等11家公司于2007年夏季共同启动了产学合作项目。目标是通过走在MEMS领域前沿的研究小组与拥有具体应用对象的企业合作，使各种MEMS技术尽快达到实用水平。2009年日本在经济产业省的主导下设立名为JMEC(JapanMEMSEnhancementConsortium)的MEMS研发机构，力争成为国际性的开放式产官学协作研发基地。JMEC设在日本产业综合研究所、物质材料机构及筑波大学联手的纳米科技研发基地“筑波纳米科技基地”内，成为MEMS相关项目的运营母体。日本主要的MEMS公司有丰田电装DENSO、松下、欧姆龙(Omron)、Matsushita、冲电气(Oki)、村田制作所(Murata)、爱普生、三菱电机、夏普等。日本MEMS公司的最新技术发展动向主要有：智能视觉传感器、快速图像检索、人机接口MEMS器件、智能汽车感应系统等。如：日本东京早稻田大学研制出通过肺、舌头、声带和喉咙发出声音的机器人WT-4，使科学家们对大脑如何控制说话系统有了更深的了解。WT-4不仅使用机器肺脏与声带，还增加了机动灵活的舌头、柔软的上腭、嘴唇和牙齿，能够更加清晰地读出日本字母发音等，能模仿人类的声音。2011年世界前10名MEMS公司中，日本有4家入围，数量与美国相等，但销售额较美国小些。分别是佳能(第5名)、松下(第6名)、电装(第7名)、爱普生(第10名)。2011年，日本MEMS产业的销售额约为20.289亿美元，占世界MEMS市场份额为20.1%[5]。在医学中的应用与发展趋势生物医学电子学是由电子学、生物和医学等多学科交叉的一门边缘科学，为使得生物医学领域的研究方式更加精确和科学，所以将电子学用于生物医学领域[6]。生物体本身就是一个精细的复杂系统，它形成的生物信息处理的优异特性将会给电子学以重要的启示，使电子信息科学以其为一个发展研究方向。在生物医学与电子学交叉作用部分中最活跃、最前沿、作用力最大的一项关键技术就是微电子技术[7]。它主要表现在：1)实现生物医学电子设备的集成化和微型化是生物医学电子学的一个主要发展方向，体现在神经电极、生物医学传感器、监护技术、植入式电子系统、生物芯片等方面，微电子技术的发展实现其微型化[8]；2)按照目前微电子器件微型化趋势，医学器件尺寸很快就会达到分子和原子的水平，为人们更加精确地研究生物体提供了条件；3)借鉴生物医学的最新成果，在很大程度上能促进微电子技术的发展[9]。生物医学传感器生物医学传感器的作用是把人体中和生物体包含的生命现象、性质、状态、成分和变量等生理信息转化为与之有确定函数关系的电子信息。生物医学传感器是连接生物医学和电子学的桥梁，所以说它是生物医学电子学中一项最关键的技术。主要可分为以下几种：电阻式传感器，电感式传感器，电容式传感器，压电式传感器，热电式传感器，光电传感器以及生物传感器等[10]。其中最重要的发展方向之一就是生物医学传感器的集成化和微型化，因为它是实现生物医学设备集成化和微型化的基础，它发展将使得生物医学的测量和控制更加精确即达到分子和原子水平，从而把生物医学带入一个崭新时代[11]。随着微电子技术的不断发展，生物医学传感器在集成化和微型化方面也取得了很大进展，目前最值得关注的发展方向可概括为以下几个方面[12]：充分利用已有的微电子和微加工技术以无机物为材料的生物医学传感器的研究，主要是基于CMOS工艺传感器的研制和设计；2)充分汲取了有机物的优点利用有机物和无机物相结合的生物医学传感器，比如基于神经细胞的生物传感器、酶传感器、免疫传感器以及微生物传感器等。3)多传感器的集成技术、融合与智能化技术，这样不仅满足了对参数测量的要求，同时还可以使相互有影响的参数起到互补的作用，从而大大地提高了传感器的测量精度。4)纳米技术与微电子机械技术这些新的前沿的微电子技术的引入，为纳米封装技术与分子生物学技术的集成提供了技术支持，同时将生物医学传感器从二维发展到了基于立体三维的微电子机械系统的传感器[8]。植入式电子系统植入式电子系统是一种埋植在人体或生物体内的电子设备，它用来测量生命体内的生理、生化参数的变化，或用来诊断与治疗一些疾病，即实现在生命体自然状态下体内直接测量和控制功能或者代替功能残缺的器官。随着高可靠性、低功率集成电路的发展，植入式电子系统的能源供给方式的多样化，无毒性生物相容性等性能优良的生物材料研究的深入，以及显微外科手术水平的不断提高，使得植入式电子系统得到飞速的发展[13]。植入式电子系统在微电子方面研究的关键技术主要有：1)植入式天线的设计技术。主要是解决效率与天线微型化之间的矛盾；2)RF射频电路的设计技术。射频电路是植入体内部分与体外部分通信的关键电路；3)低功耗植入式集成电路设计技术，它一方面是要保证植入式系统在有限能源的前提下能在体内长期稳定工作，另一方面是电路产生过多热量会对生命体本身造成危害；4)植入式系统的能量供给技术。由于经常把把植入体内设备拿出体外进行充电是不实际的，目前一般采用下述四种方式给体内供能：植入式电源、红外线偶合供能、射频供能或者是利用体内其他能量的转换，比如温差供电、利用血液中氢和氧进行燃料电池反应或利用生物体自身的机械能等；5)微弱信号的提取技术。生物信号都是微弱信号，而且往往存在着背景噪音都很强大的情况；6)一些前沿的数字信号处理技术的应用。比如利用人工神经网络技术与线性预测技术来通过脑电实时控制多自由度的假肢的研究，以及基于小波变换的语音信号处理技术应用于人工耳蜗等；7)植入式电子系统的制作与封装技术。主要研究的是如何利用生物相容性优良的生物材料来对集成电路进行封装，这样既能保证植入到体内的系统不会对生命体造成危害，也能保证其能在人体环境中长期稳定地工作[8]。生物芯片生物芯片是上世纪80年代提出的，最初指的是分子电子器件。试图把生物活性分子或有机功能分子进行组装，构建一个微功能的单元以实现信息的获取、存储、处理和传输等功能，来研制仿生信息处理系统和生物计算机[14]。上世纪90年代以来，其概念发生了变化。生物芯片指的是集成了数目巨大的生命信息，可以进行各种生物反应，具有多种操作功能、可以对DNA/RNA分子、活体细胞、蛋白分子乃至人体软组织等进行快速并行分析和处理的微器件，简称之为片上的缩微实验室。其材料的选择很广泛，可以用半导体工业中常用的硅还可以用如玻璃、陶瓷或塑料等其他材料。目前已有多种生物芯片出现，而最具代表性的是基因芯片[15]，聚合酶链扩增反应(PCR)[16]、毛细管电泳[17]等芯片。生物芯片的技术主要是依赖于分子生物学、微加工与微电子等三方面技术的进步和发展，它是将生命科学研究中所涉及的许多分析步骤，利用微电子、微机械、化学、物理和计算机等技术，使样品检测、分析过程能够连续化、集成化、微型化和自动化[8]。MEMS技术与生物技术紧密结合是21世纪微电子领域的一个热点[18]。其中生物微机电系统(Bo-iMEMS)是在生物医学工程中使用的MEMS，其中最明显的就是生物芯片。由尺度效应可以知道，MEMS可以灵敏、准确、低成本和微创地应用于生物芯片领域。通过MEMS的微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建微型生物化学分析系统，可以实现对生命机体的生物组分进行准确、快速、大信息量的检测[19]。目前比较先进的生物芯片是蛋白质芯片生物传感器[20]，这种传感器使用微加工技术，在传感器的表面固定数量巨大的生物活性探针，与待测的蛋白质进行反应后，把得到的信号转化成电信号，再反馈给微型计算机。蛋白质芯片生物传感器主要使用在生物检测上，它的灵敏度高，能实时直观地显示结果。参考文献[1]王淑华.MEMS传感器现状及应用[J].微纳电子技术，2011，08：516-522.[2]赵正平.典型MEMS和可穿戴传感技术的新发展[J].微纳电子技术，2015，01：1-13.[3]丁雯彬.MEMS如何贡献于传感世界(英文)[A].中国电子器材总公司、中国RFID产业联盟.2012传感世界暨物联网应用峰会、中国健康物联网（上海）高峰论坛论文集[C].中国电子器材总公司、中国RFID产业联盟：，2012：1.[4]微米.纳米技术文集[J].1994.[5]郭毅然.美日欧竞相发展MEMS产业[N].中国电子报，2012-06-12010.[6]张玲娜，魏娜，马艳，王兴军.生物传感器在现代医学模式中的应用[J].现代电子技术，2013，20:131-135.[7]曹相民.光电子信息工程专业的现状及发展前景[J].产业与科技论坛，2015，03:86-87.[8]路明,赵则祥,王长路.我国微机械技术发展概述[J].中原工学院学报,2010,06:64-67+75.