- MEMS傳感器帶來生物醫藥微型化
- 來源：
硅芯片現在不僅整合集成電路，而且集成了機械、流體、光學、聲學、熱學、化學或生物成分，將這些組件添加到硅芯片上，使他們成為為傳感器或執行器而與世界互動。自從20世紀90年代以來，由于各種小型和廉價的MEMS傳感器的應用，傳感器的產品劇烈膨脹。
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百美元。而現在，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產品：一個加速度計，一個陀螺儀（檢測旋轉），2個麥克風（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。壓力傳感器現在被集成到智能手機中來探測高度。氣體環境傳感器現在正在興起，濕度、一氧化碳、空氣質量等等都將可監測。
MEMS傳感器在汽車上的應用更豐富。事實上，在20世紀90年代，MEMS首先在汽車工業上開始廣泛應用。現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，電子穩定控制系統，胎壓監測，底盤控制，發動機監控，動力總成控制等等。
MEMS與生物醫學設備
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，但我們無疑已經非常接近這一目標了。比如壓力傳感器，目前市售已經有250um寬的壓力傳感器，而人類的頭發直徑則是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學設備中具有巨大的潛力。St. Jude Medical 公司的Pressurewire產品，使用兩個微型的壓力傳感器進行了氣囊導管引導（氣囊導管用于外科手術中擴張狹窄空間或通道——編者注）。在外科手術中，氣囊導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，當導管在心血管系統穿行時，這兩個傳感器讀到的是相同的血壓；但是當某一傳感器突然檢測到壓力下降時，臨床醫生就知道病變狹窄的部分位于兩個傳感器之間。隨后，醫生就可以在正確的位置膨脹氣囊。
在生物醫學中，MEMS器件的應用很多，包括心臟起搏器中的加速度計——檢測身體活動以調節起搏頻率；又如CardioMEMS血管支架(該產品已獲FDA批準，系首個用于心衰患者的無線、植入式血流動力學監測系統)，其中集成一個壓力傳感器，通過靜脈監測動脈血壓來預測動脈衰竭；還有Volcano公司的FloWire，在導管內放置一個流量計，用于檢測血流的方向和大小從而引導導管通過心血管系統。低成本的MEMS壓力和流量傳感器還用于呼吸設備和血壓計。還有很多研究項目正在進行中，如GoogleX智能隱形眼鏡，加州舊金山大學的人工腎，洛桑聯邦理工學院的植入血液分析儀，還有許多其他產品正在商業化的過程中。
但是，MEMS傳感器在生物醫學領域的應用也存在巨大的挑戰。有些是技術性的：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，用于體內的生物醫學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。封裝對于生物醫學MEMS的發展是一個巨大的挑戰；對于某些傳感器而言，封裝要占MEMS開發和生產成本的大部分。
生物MEMS的商業挑戰
除此之外將MEMS技術應用于生物醫療器件還面臨著商業上的挑戰。生物醫療電子產品和消費電子產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品的年出貨量，以及出貨量最大的11種生物醫療電子產品。我們可以看到生物醫療產品和消費類電子產品在出貨量上相差幾個數量級。 由于出貨量太小，很少有fab愿意承攬這樣的訂單。難以批量生產以降低成本，導致了MEMS技術在生物醫療產品上難以推廣。
更重要的是，這種出貨量上的不匹配意味著很多MEMS公司根本不關注生物醫療行業——而這反過來又導致很少有商品化的MEMS產品能滿足生物醫療行業的要求。所以盡管《神奇旅程》中的技術條件已具備，但將MEMS技術引入生物醫療行業的動力仍然不足。
第一種方式是從現有的汽車電子或消費電子市場上挑選已有的MEMS產品。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MEMS器件都是針對汽車和消費電子設計的，尋找到理想性能的MEMS器件的可能性很小。經常出現的情況是，在市面上可以找到一款能滿足大部分性能的MEMS產品，但在尺寸，量程，分辨率，功耗，封裝等方面總有地方表現不盡人意，最終使得產品缺乏競爭力。
第二種方法是定制化地研發和采購MEMS芯片。對于較大的出貨量，這樣做沒有任何問題，然而對于生物醫療MEMS產品而言，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，可能也有近90%的產品是多余的）。即使個別產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100萬美元以及數年的時間），同時還面臨著失敗的風險。此外，定制化的開發還需要一支專門的研發工程師團隊。
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開發成功的，所以只需要投入精力在芯片的設計部分即可。因此，半定制MEMS芯片在研發成本和時間上相比全定制方式具有一個數量級的巨大優勢——半定制方式研發成本在幾十萬美元，全定制方式通常需要幾百萬；研發時間只需數月，而不是幾年。
但上述研發成本和時間的優勢不是沒有代價的——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藥器件的需要。只有少數需要特殊工藝的生物MEMS芯片無法使用這種方式生產，如極高性能或工作在極端環境中的芯片。這種商業模式在傳統的半導體產業是司空見慣的，但在MEMS行業尚屬較為新興的方式。
50年前，科幻作家描繪了生物醫藥微型化的美好前景。50年后的今天，MEMS器件已經成功應用到了心臟支架，醫用導管和隱形眼鏡。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，但這一神奇之旅現在無疑已經開始了。
轉載請注明來源：賽斯維傳感器網（www.sensorway.cn）
