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- MEMS傳感器帶來生物醫(yī)藥微型化
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硅芯片現(xiàn)在不僅整合集成電路，而且集成了機械、流體、光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)或生物成分，將這些組件添加到硅芯片上，使他們成為為傳感器或執(zhí)行器而與世界互動。自從20世紀(jì)90年代以來，由于各種小型和廉價的MEMS傳感器的應(yīng)用，傳感器的產(chǎn)品劇烈膨脹。
舉一個例子，在MEMS之前，加速度傳感器是有一只手的大小，重量達到1kg，而成本高達幾十至數(shù)百美元。而現(xiàn)在，每一個智能手機有一個比指甲更小的加速度傳感器，成本卻只有原來的四分之一。事實上，每一個智能手機都包含至少五個MEMS產(chǎn)品：一個加速度計，一個陀螺儀（檢測旋轉(zhuǎn)），2個麥克風(fēng)（一個用于聲音檢測和一個噪聲消除），和一個磁力計（一個指南針，確定指向方向）。很快，甚至更多的MEMS芯片將集成到你的智能手機。壓力傳感器現(xiàn)在被集成到智能手機中來探測高度。氣體環(huán)境傳感器現(xiàn)在正在興起，濕度、一氧化碳、空氣質(zhì)量等等都將可監(jiān)測。
MEMS傳感器在汽車上的應(yīng)用更豐富。事實上，在20世紀(jì)90年代，MEMS首先在汽車工業(yè)上開始廣泛應(yīng)用�，F(xiàn)代汽車為了汽車的安全功能集成100個或者更多的MEMS傳感器，如防抱死制動，電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)，胎壓監(jiān)測，底盤控制，發(fā)動機監(jiān)控，動力總成控制等等。
MEMS與生物醫(yī)學(xué)設(shè)備
這些新型傳感器的微型化讓人們回想起一部1966年的電影——“神奇旅程”。影片講訴了一部微型的潛艇在人體血管之中的探索之旅。雖然這種想象目前尚未實現(xiàn)，但我們無疑已經(jīng)非常接近這一目標(biāo)了。比如壓力傳感器，目前市售已經(jīng)有250um寬的壓力傳感器，而人類的頭發(fā)直徑則是75~100um，很多血管的直徑則在厘米級別。
這種微小的傳感器在生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中具有巨大的潛力。St. Jude Medical 公司的Pressurewire產(chǎn)品，使用兩個微型的壓力傳感器進行了氣囊導(dǎo)管引導(dǎo)（氣囊導(dǎo)管用于外科手術(shù)中擴張狹窄空間或通道——編者注）。在外科手術(shù)中，氣囊導(dǎo)管必須定位在正確的血管，然后使氣球膨脹從而打開一個收縮的部位。Pressurewire將兩個壓力傳感器安裝在氣囊的兩側(cè)，當(dāng)導(dǎo)管在心血管系統(tǒng)穿行時，這兩個傳感器讀到的是相同的血壓；但是當(dāng)某一傳感器突然檢測到壓力下降時，臨床醫(yī)生就知道病變狹窄的部分位于兩個傳感器之間。隨后，醫(yī)生就可以在正確的位置膨脹氣囊。
在生物醫(yī)學(xué)中，MEMS器件的應(yīng)用很多，包括心臟起搏器中的加速度計——檢測身體活動以調(diào)節(jié)起搏頻率；又如CardioMEMS血管支架(該產(chǎn)品已獲FDA批準(zhǔn)，系首個用于心衰患者的無線、植入式血流動力學(xué)監(jiān)測系統(tǒng))，其中集成一個壓力傳感器，通過靜脈監(jiān)測動脈血壓來預(yù)測動脈衰竭；還有Volcano公司的FloWire，在導(dǎo)管內(nèi)放置一個流量計，用于檢測血流的方向和大小從而引導(dǎo)導(dǎo)管通過心血管系統(tǒng)。低成本的MEMS壓力和流量傳感器還用于呼吸設(shè)備和血壓計。還有很多研究項目正在進行中，如GoogleX智能隱形眼鏡，加州舊金山大學(xué)的人工腎，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的植入血液分析儀，還有許多其他產(chǎn)品正在商業(yè)化的過程中。
但是，MEMS傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也存在巨大的挑戰(zhàn)。有些是技術(shù)性的：例如，MEMS器件基本上是基于硅材料的，而硅是一種堅硬又易碎的材料，并且器件多是具有鋒利邊沿的矩形；而恰與此相反，用于體內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)裝置需要的是柔軟而有彈性的材料。為了改善硅器件的生物兼容性，它們通常被嵌入柔軟的材料中——但遺憾的是這只適合于那些非接觸式的傳感器，如加速度計；對于那些需要與被測物相互作用的傳感器就比較困難，如壓力傳感器。封裝對于生物醫(yī)學(xué)MEMS的發(fā)展是一個巨大的挑戰(zhàn)；對于某些傳感器而言，封裝要占MEMS開發(fā)和生產(chǎn)成本的大部分。
生物MEMS的商業(yè)挑戰(zhàn)
除此之外將MEMS技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)療器件還面臨著商業(yè)上的挑戰(zhàn)。生物醫(yī)療電子產(chǎn)品和消費電子產(chǎn)品在銷售量上有著天壤之別。表1列出了幾種主要的消費電子產(chǎn)品的年出貨量，以及出貨量最大的11種生物醫(yī)療電子產(chǎn)品。我們可以看到生物醫(yī)療產(chǎn)品和消費類電子產(chǎn)品在出貨量上相差幾個數(shù)量級。 由于出貨量太小，很少有fab愿意承攬這樣的訂單。難以批量生產(chǎn)以降低成本，導(dǎo)致了MEMS技術(shù)在生物醫(yī)療產(chǎn)品上難以推廣。
更重要的是，這種出貨量上的不匹配意味著很多MEMS公司根本不關(guān)注生物醫(yī)療行業(yè)——而這反過來又導(dǎo)致很少有商品化的MEMS產(chǎn)品能滿足生物醫(yī)療行業(yè)的要求。所以盡管《神奇旅程》中的技術(shù)條件已具備，但將MEMS技術(shù)引入生物醫(yī)療行業(yè)的動力仍然不足。
第一種方式是從現(xiàn)有的汽車電子或消費電子市場上挑選已有的MEMS產(chǎn)品。如果傳感器性能可以滿足要求，這自然是最佳的方式。然而，由于大多數(shù)MEMS器件都是針對汽車和消費電子設(shè)計的，尋找到理想性能的MEMS器件的可能性很小。經(jīng)常出現(xiàn)的情況是，在市面上可以找到一款能滿足大部分性能的MEMS產(chǎn)品，但在尺寸，量程，分辨率，功耗，封裝等方面總有地方表現(xiàn)不盡人意，最終使得產(chǎn)品缺乏競爭力。
第二種方法是定制化地研發(fā)和采購MEMS芯片。對于較大的出貨量，這樣做沒有任何問題，然而對于生物醫(yī)療MEMS產(chǎn)品而言，這意味著要為多余的訂單買單（出貨量較小，即使以fab的最小起售量生產(chǎn)，可能也有近90%的產(chǎn)品是多余的）。即使個別產(chǎn)品和公司可以承受這些代價，這種方式仍顯得過于浪費。更何況研發(fā)定制化的MEMS還意味著不菲的投入和時間成本（通常至少100萬美元以及數(shù)年的時間），同時還面臨著失敗的風(fēng)險。此外，定制化的開發(fā)還需要一支專門的研發(fā)工程師團隊。
第三種則是一種相對較為新穎的方式，稱為半定制方式。在半定制方式中，幾種不同的MEMS芯片共享同一批晶圓，以這種方式增大總產(chǎn)量，攤薄平均成本。
由于不同芯片共享同一平臺，而制造工藝則是已經(jīng)開發(fā)成功的，所以只需要投入精力在芯片的設(shè)計部分即可。因此，半定制MEMS芯片在研發(fā)成本和時間上相比全定制方式具有一個數(shù)量級的巨大優(yōu)勢——半定制方式研發(fā)成本在幾十萬美元，全定制方式通常需要幾百萬；研發(fā)時間只需數(shù)月，而不是幾年。
但上述研發(fā)成本和時間的優(yōu)勢不是沒有代價的——芯片的制造方式幾乎是固定的，因此半定制芯片的設(shè)計空間相對較窄。不過盡管如此，這種方式還是能夠滿足大部分生物醫(yī)藥器件的需要。只有少數(shù)需要特殊工藝的生物MEMS芯片無法使用這種方式生產(chǎn)，如極高性能或工作在極端環(huán)境中的芯片。這種商業(yè)模式在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是司空見慣的，但在MEMS行業(yè)尚屬較為新興的方式。
50年前，科幻作家描繪了生物醫(yī)藥微型化的美好前景。50年后的今天，MEMS器件已經(jīng)成功應(yīng)用到了心臟支架，醫(yī)用導(dǎo)管和隱形眼鏡。雖然我們還不能像小說里那樣乘著微型潛艇在血管里暢游，但這一神奇之旅現(xiàn)在無疑已經(jīng)開始了。
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