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MEMS传感器带来生物医药微型化
来源:赛斯维传感器网 发表于 2018/2/12

硅芯片现在不仅整合集成电路,而且集成了机械、流体、光学、声学、热学、化学或生物成分,将这些组件添加到硅芯片上,使他们成为为传感器或执行器而与世界互动。自从20世纪90年代以来,由于各种小型和廉价的MEMS传感器的应用,传感器的产品剧烈膨胀。

举一个例子,在MEMS之前,加速度传感器是有一只手的大小,重量达到1kg,而成本高达几十至数百美元。而现在,每一个智能手机有一个比指甲更小的加速度传感器,成本却只有原来的四分之一。事实上,每一个智能手机都包含至少五个MEMS产品:一个加速度计,一个陀螺仪(检测旋转),2个麦克风(一个用于声音检测和一个噪声消除),和一个磁力计(一个指南针,确定指向方向)。很快,甚至更多的MEMS芯片将集成到你的智能手机。压力传感器现在被集成到智能手机中来探测高度。气体环境传感器现在正在兴起,湿度、一氧化碳、空气质量等等都将可监测。

MEMS传感器在汽车上的应用更丰富。事实上,在20世纪90年代,MEMS首先在汽车工业上开始广泛应用。现代汽车为了汽车的安全功能集成100个或者更多的MEMS传感器,如防抱死制动,电子稳定控制系统,胎压监测,底盘控制,发动机监控,动力总成控制等等。

MEMS与生物医学设备

这些新型传感器的微型化让人们回想起一部1966年的电影——“神奇旅程”。影片讲诉了一部微型的潜艇在人体血管之中的探索之旅。虽然这种想象目前尚未实现,但我们无疑已经非常接近这一目标了。比如压力传感器,目前市售已经有250um宽的压力传感器,而人类的头发直径则是75~100um,很多血管的直径则在厘米级别。

这种微小的传感器在生物医学设备中具有巨大的潜力。St. Jude Medical 公司的Pressurewire产品,使用两个微型的压力传感器进行了气囊导管引导(气囊导管用于外科手术中扩张狭窄空间或通道——编者注)。在外科手术中,气囊导管必须定位在正确的血管,然后使气球膨胀从而打开一个收缩的部位。Pressurewire将两个压力传感器安装在气囊的两侧,当导管在心血管系统穿行时,这两个传感器读到的是相同的血压;但是当某一传感器突然检测到压力下降时,临床医生就知道病变狭窄的部分位于两个传感器之间。随后,医生就可以在正确的位置膨胀气囊。

在生物医学中,MEMS器件的应用很多,包括心脏起搏器中的加速度计——检测身体活动以调节起搏频率;又如CardioMEMS血管支架(该产品已获FDA批准,系首个用于心衰患者的无线、植入式血流动力学监测系统),其中集成一个压力传感器,通过静脉监测动脉血压来预测动脉衰竭;还有Volcano公司的FloWire,在导管内放置一个流量计,用于检测血流的方向和大小从而引导导管通过心血管系统。低成本的MEMS压力和流量传感器还用于呼吸设备和血压计。还有很多研究项目正在进行中,如GoogleX智能隐形眼镜,加州旧金山大学的人工肾,洛桑联邦理工学院的植入血液分析仪,还有许多其他产品正在商业化的过程中。

但是,MEMS传感器在生物医学领域的应用也存在巨大的挑战。有些是技术性的:例如,MEMS器件基本上是基于硅材料的,而硅是一种坚硬又易碎的材料,并且器件多是具有锋利边沿的矩形;而恰与此相反,用于体内的生物医学装置需要的是柔软而有弹性的材料。为了改善硅器件的生物兼容性,它们通常被嵌入柔软的材料中——但遗憾的是这只适合于那些非接触式的传感器,如加速度计;对于那些需要与被测物相互作用的传感器就比较困难,如压力传感器。封装对于生物医学MEMS的发展是一个巨大的挑战;对于某些传感器而言,封装要占MEMS开发和生产成本的大部分。

生物MEMS的商业挑战

除此之外将MEMS技术应用于生物医疗器件还面临着商业上的挑战。生物医疗电子产品和消费电子产品在销售量上有着天壤之别。表1列出了几种主要的消费电子产品的年出货量,以及出货量最大的11种生物医疗电子产品。我们可以看到生物医疗产品和消费类电子产品在出货量上相差几个数量级。 由于出货量太小,很少有fab愿意承揽这样的订单。难以批量生产以降低成本,导致了MEMS技术在生物医疗产品上难以推广。

更重要的是,这种出货量上的不匹配意味着很多MEMS公司根本不关注生物医疗行业——而这反过来又导致很少有商品化的MEMS产品能满足生物医疗行业的要求。所以尽管《神奇旅程》中的技术条件已具备,但将MEMS技术引入生物医疗行业的动力仍然不足。

第一种方式是从现有的汽车电子或消费电子市场上挑选已有的MEMS产品。如果传感器性能可以满足要求,这自然是最佳的方式。然而,由于大多数MEMS器件都是针对汽车和消费电子设计的,寻找到理想性能的MEMS器件的可能性很小。经常出现的情况是,在市面上可以找到一款能满足大部分性能的MEMS产品,但在尺寸,量程,分辨率,功耗,封装等方面总有地方表现不尽人意,最终使得产品缺乏竞争力。

第二种方法是定制化地研发和采购MEMS芯片。对于较大的出货量,这样做没有任何问题,然而对于生物医疗MEMS产品而言,这意味着要为多余的订单买单(出货量较小,即使以fab的最小起售量生产,可能也有近90%的产品是多余的)。即使个别产品和公司可以承受这些代价,这种方式仍显得过于浪费。更何况研发定制化的MEMS还意味着不菲的投入和时间成本(通常至少100万美元以及数年的时间),同时还面临着失败的风险。此外,定制化的开发还需要一支专门的研发工程师团队。

第三种则是一种相对较为新颖的方式,称为半定制方式。在半定制方式中,几种不同的MEMS芯片共享同一批晶圆,以这种方式增大总产量,摊薄平均成本。

由于不同芯片共享同一平台,而制造工艺则是已经开发成功的,所以只需要投入精力在芯片的设计部分即可。因此,半定制MEMS芯片在研发成本和时间上相比全定制方式具有一个数量级的巨大优势——半定制方式研发成本在几十万美元,全定制方式通常需要几百万;研发时间只需数月,而不是几年。

但上述研发成本和时间的优势不是没有代价的——芯片的制造方式几乎是固定的,因此半定制芯片的设计空间相对较窄。不过尽管如此,这种方式还是能够满足大部分生物医药器件的需要。只有少数需要特殊工艺的生物MEMS芯片无法使用这种方式生产,如极高性能或工作在极端环境中的芯片。这种商业模式在传统的半导体产业是司空见惯的,但在MEMS行业尚属较为新兴的方式。

50年前,科幻作家描绘了生物医药微型化的美好前景。50年后的今天,MEMS器件已经成功应用到了心脏支架,医用导管和隐形眼镜。虽然我们还不能像小说里那样乘着微型潜艇在血管里畅游,但这一神奇之旅现在无疑已经开始了。

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