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正从实验室走出的微型机电系统

中国教育装备采购网2005-05-09 09:25围观517次我要分享

    微机电系统(MEMS : Micro Electro-Mechanical System)是一种集成微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件,实现感应和控制物理环境的芯片级设备。MEMS在经过25年的发展后,目前正在走出实验室,逐渐成为一个新兴的工业领域。MEMS的应用范围正在不断扩大,从汽车气囊到打印机、电信设备等,这个芯片级设备的出现,正在促使产品真正迈向低成本、高性能。 

  虽然MEMS技术所具有的优点是无可置疑的,然而将这些先进的技术思想转换成新产品的开发进程却还是太慢了。其原因之一是设备本身的多样性和复杂性:对于MEMS的组装,并没有一个适合所有要求的统一的尺寸。另外,在研发、原型设备、铸造设备及市场分析方面的有限方法也减缓了MEMS产品的开发进程。 

  尽管如此,一些公司最近还是不断有利用MEMS技术的新颖、独特的设备出台。下面是几个有代表性的例子。 

   血内气体分析 

  Sphere医疗器械公司已经开发了一种可用于血内气体分析、分子诊断和环境分析的微机械硅传感技术。该技术通过在一个单一硅片上集成独立的化学传感器和电子驱动电路,能够进行实时测量,而且成本也不至于让用户难以承受。 

  监视血内气体(对监视病人的呼吸系统是相当重要的)的传统方法包括将血样运送到血气分析仪和分析处理过程。分析处理过程可能花费20分钟到2个小时,并且有可能在两次抽取血样期间错过重要的病症。 

  采用了微机械硅传感技术的设备有一个微传感器阵列,该阵列可在测量中将被分析物的物理化学响应,通过电流(与被分析物相关的电流)和电压(与被分析物相关的电势)转换机制转换为电信号。将一个转换器和特定的接收器耦合在一起,可以形成一个用来检测特定被分析物的传感器。这样,使得在一个很小的微芯片上构建一系列用于检测不同分析物的传感器成为可能。 

  除了传感器件本身,更多的功能也可以被集成到芯片中,例如,片上驱动和信号处理单元、加热单元、信号复用单元,以及具有辅助传感功能或工艺的机械结构。电流传感器包括一个工作电极(阴极)、一个辅助电极(阳极)和一个参考电极,这与大型实验室所用分析仪中的用于测量血液氧浓度水平的Clark结构非常类似。传感器由一个透气的薄膜包裹,在阴极上产生-0.7~-0.8V的极化电压,可以减少通过薄膜扩散的氧气,同时产生与氧气数量成比例的电流。 

  该设备还使用了一种基于离子选择的场效应晶体管,离子通过具有选择功能的薄膜扩散,以静电的方式控制场效应晶体管栅极的开关。这些设备还没有用在血内气体测量中,因为它们需要频繁地校准,并且薄膜在从传感器上脱离之前的使用寿命有限。新型的薄膜具有一定的稳定性,可以使用一年,在常规使用中还可以进行自动校准。  

  为了使传感器能够测量特定的被分析物,例如,简单的气体分子或pH值,Sphere公司已经开发了一种专门用于血内气体测量的薄膜技术。然而,在鉴别技术中,更复杂的被分析物需要更先进的方法。通常,原生质如酶、抗体和DNA已被作为普遍采用的接收器,形成具有特定功能的生物传感器。在诊断应用中,由于他们的生物衍生物的存在,这些原生质的使用会受到一些因素的限制。 

  较新的开发成果——分子痕迹聚合物(MIPs),有时也称为“塑料抗体”,宣称是成本最低、最普遍的方法。这种方法是在一个聚合物矩阵中使用一个模板分子作为三维负像,为转换器提供化学和位置特征。一个MIP的结构是通过形成一个高度互连的聚合物矩阵环绕在被分析物或一个相似分子周围实现的。整个结构被聚合在一起,并以一定的位置永久固定为单聚合体,原先的模板被移走,只留下一个聚合物和用于吸附特定被分析物的束缚位置。此时,这种聚合物便能以与抗体同样的方式用于分析应用。  
   硅微结构具有诸多优于其他传感器的特点,例如,在量产时,具有极高的处理工艺和产品重复生产性、小巧的尺寸以及较低的成本。这种产品可以集成到病人的动脉压监视线中,当需要时,血液流过传感器就可以读出血内气体的水平,设备的输出被直接连接到床边的监视器上。   

微粒子生化分析 
   
    3D分子科学公司是一家由Generics公司、皇家学院和Hertfordshire大学共同合资的公司,该公司开发了基于专有的、可视读的、微结构编码粒子的微型分析平台,可以大批量、快速、经济地重复执行生物鉴定。每个粒子,通过使用简单的化学反应(如硅烷和双胺的吸附)来吸附生化接收器分子,形成最小的生物鉴定平台。一个荧光标志用来指示已经发生了反应,每个代码都提供了吸附在粒子上的生物分子的可靠的识别结果。通过将许多单一编码的粒子与相关生物分子混合,可以进行更复杂的实验鉴定。另一方面,具有同样代码的粒子也可以被组合出,并且用于特定的鉴定,因此,可以进行大量筛选。另外,被吸附的生物分子在反应前、反应中和反应后都可以被追踪。 

  这种粒子利用一种简单的微机械工艺制造,该工艺包括在硅晶片上由特定功能的聚合材料(比硅或金属重量轻、价格便宜)构成的外层保护膜(如SU-8),以及化学放大器和基于环氧树脂的负光阻材料。用紫外光(UV)和遮光板,可以制造出特殊形状的粒子,具有透光、耐酸碱腐蚀、热稳定性高等特点。 

  每个粒子都根据它的形状或缺口来进行编码。代码提供了一个被吸附在粒子上的生物分子的可靠鉴别标志。粒子的大小约为100μm×15μm×10μm和500μm×300μm×25μm,也可根据需要制作其他尺寸的粒子。 

  与待检测的样本混合后,粒子上的代码就可以通过血细胞计数器读出来,以提供综合结果。当编码的粒子在系统中前进时穿过显像管,光就被其形状所散射,从而产生一个信息流,该信息以与常规条形码相同的方式被处理。每个粒子的形状提供了数百万特征中的唯一鲜明特征,允许分析者对许多具有这样各种类似指纹特征的粒子进行逐一分析。  

体育仪器 
   
    近期,有助于体育运动员(专业的或业余爱好者)提高其竞技水平的材料技术和器材设计方面的进步,却让人们选择合适的体育器材有些无所适从。Generics公司最近为全部仪器化的体育器材开发了一种设备,它可以提供关于运动员技术的详细资料,以确定体育器材的适应性,并能进行辅助训练。 

  虽然将实验仪器集成到这样的器材中早已存在,但由于这样的体育器材重量明显增加,并且不是很牢固,这往往影响测量结果。新型的系统包括轻巧可靠的传感器、与通信接口相连的电子模块以及软件分析系统。软件系统记录若干微机械应力传感器所采集到的多路数据信息,并对压力发生前或压力发生后的数据进行分析,来显示每个运动员的技术信息。

来源:现代实验室装备网

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