biomems-王研.ppt

1、应用MEMS传感器对皮肤的信息的检测,王研 2002.5.18,课题的研究目的,在本课题中，研究人员致力于研制一种低成本，多用途的生物芯片。该芯片能使用极小量的取样容量(nl/pl)进行实时检测及诊断，并且对影响病人的不良因素进行逐步治疗。研究结果反映了近期在微流动传感器设备结构上的进步以及在表皮生物薄膜测量中定量仪器方面的进步。,课题的研究目的（续）,研究人员逐渐开展对皮肤的最外层，即角质（Stratum Corneum，如图案所示）的水合作用和离子环境的研究，作为自主神经系统的激励和生理应力的指示器。 研究侧重于微流体MEMS与皮肤的界面(interface)的发展与应用的研究。,皮肤角质

2、层(Stratum Corneum),研究建立在对SC的特性的了解上,SC是一种原生灵敏材料,它将生物体与环境连接在一起。它充当了一种body glove的作用，这对于人的生存和陆生生活是很重要的。它拥有着独特的分子贮水结构，即既能防止水份的流失，同时用水作为主要的塑化剂。作为人体与环境间的多信息界面，一般来说，SC能远在诸如血压，动脉血气和酸性等中心测量指标之前表现出相关生理信息。,实验步骤,理解皮肤与环境界面（例如表皮屏障）的细胞与分子生物学知识。 研制能够使用微/纳米探针，传感器以及分析方案来无损收集生物信息的工具，技术和方案。 建立模型理解SC与基于MEMS的工具与芯片的免疫测定（免疫

3、分析一种实验室或临床的技术，利用抗原和它的同源抗体之间的特殊连接而对样品中的微量物质进行鉴定并定量）与传感器的微流体连接,实验步骤（续）,使用分布计算，图形重构和无线通讯方式来分析，相互关联及理解在单一激励控制下的皮肤在不同部位的反应，见图2所示。,实验步骤（续）,传感器分布如图所示，分布算法，低能耗，低电压的无线通信和3D图像算法的结合使观察内部器官的实时运动成为可能，信息表现为心脑电图。,界面（interface）,SC拥有一系列的复杂的贮水机构。水和內生的化学物质是界面用于控制电学，机械，化学和光学特性的关键。研究致力于提出一种信息使能的硅-碳微流体的连接方案，以便于提高生理数据（例如生

4、物阻抗光谱）的检索，见图所示。,图中的parallel plate阵列连接了外部MEMS设备与生物组织的信号，用来进行生理监测或经过皮肤的药物投放。,MEMS组件,MEMS组件,MEMS组件,图中给出了研究提出的微系统和它的单一组件。其中CPS界面，微电子管，微电极，柱状支撑结构，流体贮液器和微通道由Si，玻璃，金属和聚合物制成。流体由加压的微贮液器和正向置换泵而驱动。样品的获得由CPS微孔完成，流动速；率由搀杂金的流量传感器监测，为nl量级。,MEMS组件,CPS采样界面 流量增加设备的发展与集成 微流动传感器的设计与研制 压缩泵和相关的电子管,CPS采样界面,CPS界面由多孔硅的蚀刻技术制

5、成，晶片放在盛有氢氟酸水溶液的电化学蚀刻设备中，加一定偏压。图6所示即制作过程。,CPS采样界面,CPS样品制作使用的是双面硅晶片（1-2），使晶片氧化得到200nm厚的氧化物，将背面的氧化物剥去。 N+扩散以确保与金属电极的电性接触扩散后搀杂区的电阻率小于0.1ohm cm。 （4）阳极金属沉积在晶片背面 （5）金属经仿造，蚀刻后形成阳极。,CPS采样界面,（6）塑造前面以便于孔的初始加工 （7）孔的初始蚀刻加工使用KOH （8）多孔硅蚀刻完成过程如图7所示。 （9）电极蚀刻掉，（10）孔受氧化。 （11）除去晶片后面的氧化物，（12）背面穿过孔进行蚀刻 （13）剥去氧化物，得到CPS样品,

6、研究人员以成功地在Si晶片上制作了直径为2-10m的可粘和孔，深度大于200 m。孔经氧化孔壁和有选择地蚀刻Si后成为毛细管。经过氧化，抛光和蚀刻整Si后，形成如图9所示的CPS微毛细孔。微毛细孔是为了克服显微镜共焦而发展起来的，基底外表面的微孔经蚀刻后，除去亲水的氧化物，保留了亲水Si表面，以便增加皮肤脂质的释放并与之粘合。,流量增加设备的发展与集成,研究人员已制成一系列的电磁防泄漏迷你型和微电子管。图10即晶片上的迷你电子管与集成贮液器。当系统的流速与容量小于示值，应重新设计电子管使其包括双向激励来实现电子管的强制关闭，以便减少相应时间。,微流动传感器的设计与研制,穿过通道壁来测量的集成流

7、体传感器见图11。流体传感器的灵敏度通过将金作为主要搀杂物质来实现，它确保了超低流速的测量。,压缩泵和相关的电子管,重新设计泵与电子管，使其与芯片上的色谱法单元相联接。这一泵包括一系列工作在特殊顺序下的电子管，使液体吸入单元。,结果与讨论,在组织水平上，皮肤使用大型传感器的研究，分析和特性多年以来一直是研究的活跃领域，并且已有关于此问题的会议召开。 本文的研究使得界面与数据采集，既能在组织水平上，也能达到细胞水平。,结果与讨论,为了消除与皮肤相互作用时产生的机械，微流体和表面作用的相互影响，研究人员在最初的实验中使用胎儿皮脂（vernix caseosa，大约包括10%的油脂，10%的蛋白质和

8、80%的水）作为MEMS传感仪器与皮肤间的液体桥。尽管胎儿皮脂没有皮肤的机械特性，但它与最外层的皮肤相似。由于SC细胞间并未紧密结合，使得研究者可以借助微孔阵列来研究生物流体与细胞间的相互作用。,结果与讨论,利用胎儿皮脂粘合MEMS界面和CPS微孔的早期结果是令人鼓舞的。如图13所示。,二氧化硅的染色跟踪并非完全出乎意料。研究人员期望皮脂中的一些其它组成部分，也许是可溶蛋白质，涂覆在微孔的二氧化硅表面，使其不溶于水。然后Nile red将吸收在防水表面上。相似的过程也会发生在防水接触镜片上，最终导致其不能使用。酶镜片清洁器能分解过多的蛋白质累积，从而延长镜片的使用寿命。我们期待能利用这些方法进行MEMS与皮肤的相互作用和液体桥的形成的研究。,结论,本文概述了一种集合化学，生物，微系统和信息