【前沿技术】MEMS及其发展趋势（三）

纳米技术是在原子或分子水平上操控物质的能力，以便我们在纳米尺度上进行制造。通常有两种实施方法：自上而下和自下而上。在自上而下的方法中，设备和结构的制作采用了许多与MEMS相同的技术，它们的尺寸更小，通常是通过采用更先进的光刻和蚀刻方法。自下而上的方法通常涉及沉积、生长或自组装技术。与MEMS相比，纳米设备的优势主要来自于缩放规律，这也会带来一些挑战。

有时MEMS和纳米技术被看作独立的技术，但实际上这两者之间的区别并不明显。事实上，这两种技术是高度相互依赖的。比如，扫描隧道尖端显微镜（STM）是一种MEMS设备，用于检测纳米尺度上的单个原子和分子。同样，用于操纵基底表面上单个原子和分子的位置的原子力显微镜（AFM）也是一种MEMS设备。

同样地，许多MEMS技术也开始依赖纳米技术来获得成功的新产品。例如，使用MEMS技术制造的碰撞安全气囊加速计，由于证明质量和基体之间的动态使用中的摩擦效应，其长期可靠性会下降。一种叫做自组装单层（SAM）涂层的纳米技术现在被常规用于处理移动MEMS元件的表面，以防止在产品的使用寿命中出现摩擦效应。

以下是MEMS结合纳米技术的一些应用及研究

应用于生物技术

MEMS和纳米技术正在促成科学和工程领域的新发现，如用于DNA扩增和鉴定的聚合酶链式反应（PCR）微系统、酶联免疫吸附试验（ELISA）、毛细管电泳、电穿孔、微机械扫描隧道显微镜（STM）、用于检测危险化学和生物制剂的生物芯片，以及用于高通量药物筛选的微系统。

应用于医学

MEMS在医学上有广泛的应用。MEMS压力传感器是MEMS在医学上的第一个也是迄今为止最成功的应用，它已经使用了几十年。这些压力传感器的市场非常多样化，而且高度分散。

MEMS压力传感器在医学上的应用包括：

（1）一次性的MEMS压力传感器，这是医疗领域的最大市场。用于监测重症监护病人静脉输液管的血压。它取代了，那些需要反复消毒、重新校准的老设备，并且也成本下降至10美元。

（2）MEMS压力传感器用于测量分娩时的宫内压力。该设备装在一根导管里，被放在婴儿的头部和子宫壁之间。在分娩过程中，婴儿的血压会在母亲的宫缩过程中被监测到问题。

（3）MEMS压力传感器在医院和救护车上被用作病人生命体征的监测器，特别是病人的血压和呼吸。

（4）呼吸监测中的MEMS压力传感器用于呼吸机，监测病人的呼吸。

（5）MEMS压力传感器用于眼科手术，测量和控制用于从眼睛中取出液体的真空度，在手术过程中，液体会被清理掉碎片并被替换回眼睛中。

（6）用于烧伤患者的特殊病床采用充气式床垫，使用MEMS压力传感器来调节床垫中一系列独立充气室的压力。床垫的各个部分可以根据需要进行充气，以减少疼痛，并改善病人的愈合。

（7）医生办公室和医院的血液分析仪采用MEMS压力传感器作为气压校正，以分析病人血液中的氧气、二氧化碳、钙、钾和葡萄糖的浓度。

（8）MEMS压力传感器用于吸入器，监测病人的呼吸周期，并在呼吸周期的适当时间释放药物，以达到最佳效果。

（9）MEMS压力传感器用于肾脏透析，监测血液和透析液的进口和出口压力，并在透析过程中调节流速。

（10）MEMS压力传感器用于多种类型的药物输液泵，以监测流速，并检测是否有阻塞物和堵塞物，这些阻塞物表明药物没有被正确地输送到病人体内。

所有这些应用对病人护理的贡献都是巨大的。最近，具备无线访问能力的MEMS压力传感器，已经被开发出来，并在市场上销售，它具有无线询问能力。它可以被植入人体，并且可以使用远程扫描棒测量压力。另一个应用是MEMS惯性传感器，特别是加速计和速率传感器，用于人体活动监测。惯性传感器在医学上最重要的应用也许是在心脏起搏器中，它们被用来帮助确定基于病人活动水平的最佳起搏率。MEMS设备也开始被用于药物输送设备，包括非卧床和植入式应用。MEMS电极也正被用于神经信号检测和神经刺激应用。各种用于侵入性和非侵入性的生物和化学MEMS传感器已开始上市。片上实验室和小型化生化分析仪器也正在市场上销售。

应用于通讯

高频电路正从RF-MEMS技术的出现中获益匪浅。如果使用MEMS和纳米技术，电感器和可调谐电容器等电气元件与集成的同类元件相比，可以得到明显的改善。随着这类元件的集成，通信电路的性能将得到改善，而总的电路面积、功耗和成本将得到降低。此外，由几个研究小组开发的机械开关，是在各种射频和微波电路中具有巨大潜力的关键部件。所展示的机械开关样品的质量系数远远高于以前的任何产品。RF-MEMS的另一个成功应用是在谐振器中作为通信电路的机械过滤器。

惯性感应

MEMS惯性传感器，特别是加速计和陀螺仪，正在迅速获得市场认可。例如，MEMS加速度计已经取代了传统的加速度计，用于汽车的碰撞安全气囊部署系统。以前的技术方法使用了几个笨重的加速度计，由分立元件组成，安装在汽车前部，在安全气囊附近有独立的电子装置，每个装置的成本超过50美元。MEMS技术使得将加速度计和电子器件集成到一个硅芯片上成为可能，成本只有几美元。这些MEMS加速度计更小，功能更多，更轻，更可靠，而且生产成本仅为传统宏观规模加速度计元件的一小部分。最近，MEMS陀螺仪（即速率传感器）已用于汽车和消费电子应用。

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