MEMS在医学中的应用与发展

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1、MEMS在医学中的应用与发展李晓云机电学院21201401621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

2、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。2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

3、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

4、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

5、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)

6、、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

7、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

8、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