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1、微纳科学与技术光机电信息2003年第7期MEMS和微流体分析系统的发展鞠挥,吴一辉(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130022)摘要:微机电系统(MEMS)是在微电子及微机械等学科基础上发展起来的新兴多学科交叉研究领域,是当今科学技术最具潜力的发展方向之一,而微型流体分析系统是这一研究领域中的热点。本文综述了MEMS技术以及作为MEMS技术一个重要研究方向的微型流体分析系统的起源及其广阔的市场应用前景,并对MEMS产品的市场化存在的问题进行了讨论。MEMS技术及微型流体分析系统的诞生必将对今后的化学、医学
2、及生物学等领域的研究工作产生重大影响。MEMS技术的发展令世人瞩目,不仅中国国事实上,在Feynman演讲之前,科学家们已内的许多高校和科研院所对其进行研究,而且世成功地研制出指甲盖大小的电机;然而,Feynman界各国也对这一领域投入了大量的人力和物力。认为,这些研究成果在小型化的道路上还很原始、微型流体分析系统作为MEMS技术研究的一个粗糙,尚处于幼年时期。他的结论是:/在这以后主要方向,向人们展示了其广阔的市场应用前景。还有更加令人震惊的微小世界0,他设想可以将整个24卷大英百科全书写在针尖上,要做到这件事1MEMS
3、及微制造技术的发展只需要将尺寸缩小1/25000即可。Feynman坚信存在微小化的可能性,因为在生物中有众多丰富随着微加工技术的愈益成熟,MEMS及其他的写信息微小化的例子。/对于生物学家来说,在微制造技术显示出巨大的发展潜力。美国物理学一个极其微小的空间可以携带巨量信息是一个事家RichardP.Feynman于1959年12月29日在实,我们要解决的问题是揭开在微小的细胞中一加州理工学院举行的美国物理协会的年度会议上个复杂的生物体,就像我们自己的全部信息是如发表了题目为There.sPlentyofRoomatthe
4、Bot-何存储的。0人的细胞是活性的能够完成各种物质tom的演讲,并发表在1960年2月的Caltech.s的制造、移动和信息存储。基于这一点,他设想一EngineeringandScience上。其中描述道:/我将种微小但可以活动的机器(就是人们现在所说的要介绍的是另外一个方向,在这一方向可以进行MEMS),可以在量子尺度进行计算,排列单个原微小的研究,但可以做很多事。这一领域和其他子,甚至有一天可以在人体内不执行外科手术。的领域相比有很大的不同,不同点在于它无法给历史证实了Feynman的远见卓识,纳米科技、我们更多的
5、基本物理,但它更像固体物理,可以发MEMS及量子计算和分子自组装等领域向人们现在复杂情况下的奇怪现象;另外,最重要的一点展示了微小世界的巨大潜力。是由此产生许多技术应用。我要讲的问题就是在从量的角度看,微小本身是一个很含混的概微小尺度下操作和控制物质。0念。人们认为,最基本的一点是微技术或者说#27#Micro/Nanoscience&TechnologyOMEInformationNo.7,Jul.2003MEMS技术的最小实施单位应该是微米,它与直亿美元,2002年约为350亿美元。预计到2003接操作原子或分子的纳米
6、技术显然是有区别的。年,微小系统的市场将达到400亿美元,其发展潜MEMS在欧洲被称为Microsystem或MST;在亚力和市场前景巨大。洲部分地区也有称之为Micromachine的,但在公全世界有600多家企业、大学、研究机构目前开发行的文献或互联网上这些称谓均被大家接正在从事MEMS/MST的研究,主要开发重点:受,其实质都是一件事情。小的概念与微是紧密(1)生化MEMS的开发,如药物开发、DNA分析相关的,但尺度上肯定是有差别的,在微型化的道及化学;(2)成像领域,如显示和光纤开关;(3)路上小型化必然是微的先驱
7、,微与小的最终目的MEMS/MST开关和用于射频及自动测试仪器的都是在满足人类的物理分辨极限条件下使人类自继电器。身受益。不难想像,由MEMS技术制作的器件应我国从20世纪90年代初期开始MEMS的该具有如下优点:(1)体积小、功能强,如美国能源研究工作,国家自然科学基金、攀登计划、重点基部所属的桑迪亚国家实验室开发的微型齿轮的轮础研究项目均对此进行了资助。最新的/8630计齿只有一个红血球细胞那样大,如此小的部件运划对该领域投入上亿元的资金,同时微型全分析动起来非常快,其体积、引力和惯性几乎不产生任系统也已列为国家自然科
8、学基金重大项目。何作用;(2)小而结实;(3)易于制造,科学家可以轻而易举地在一块很小的硅片上制造数十万个微3微型流体分析系统型部件。在进行适当的改进后,以硅为基础材料的结构在制作工艺上与IC工艺兼容,能大批量生微流体芯片亦被称为微型全分析系统(Micro产,大幅度降低成本,从而可为仪器仪表实现集成To
