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正从实验室走出的微型机电系统(MEMS)
2005年5月9日 8:18  来源:现代实验室装备网

    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。  

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