MEMS神经元微探针
微机电系统MEMS的学习课件
MEMS技术的应用
空间应用 用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面辐照实验,正在进行飞行搭载实验 微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究 通信方面 光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方向发展 无线通信则要求增强功能如联网等和减小功耗.包括美国朗讯公司在内的一些公司和大学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信用射频微系统
MEMS技术及其产品的增长速度非常之高,并且目前正处在加速发展时期
MEMS技术
MEMS技术
一般意义上的系统集成芯片 广义上的系统集成芯片
加速度计 压阻式加速度计 电容式加速度计 压电式加速度计
惯性器件
惯性器件
电容式微加速度计
光学MEMS器件
定义 Optical Transducers,MOEMS, Optical MEMS 分类 传统的光传感器、转换器 光传感、成像、发光器件光电子 利用光进行传感的器件 位置传感器、光谱仪、DNA芯片 利用微机械加工方法形成的器件 传统器件的新生命 新型器件
电、光、声、热、磁力等外界信号的采集—各种传感器
执行器、显示器等
信息输入与模/数传输
信息处理
信息输出与数/模转换
信息存储
作 业
1、MEMS工艺与微电 子工 艺技术有哪些区别. 2、列举几种你所知道的 MEMS器件,并简述其 用途.
MEMS的分类
微传感器： 机械类：力学、力矩、加速度、速度、角速度陀螺、位置、流量传感器 磁学类：磁通计、磁场计 热学类：温度计 化学类：气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器 生物学类：DNA芯片
MEMS的分类
微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等 微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等 微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等
MEMS技术的最新发展和MEMS传感器
作业2:叙述MEMS技术的最新发展并介绍几种MEMS传感器MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems 是微机色糸统的缩写。
MEMS 是美国的叫法，在目本菠称为微机械，衣.欧洲彼称为微糸统，MEMS就是在一个硅基板上集成了机械和色子元器件的微小机构。
在代工厂中，通过对色子部分使用丰导体工艺和对机械部分使用微机械工艺将其或者直接蚀刻到一片晶圆中，或者增加新的结构层来制作MEMS产醃。
作为纳耒科技的一个分支，MEMS彼称为色子产醃设计中的“朗星”。
q < MEMS加工技术又彼广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生杨化学等卖脸宝技术流程的芯片集成化。
MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型杭行器和相应的处理色路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代传息技术的最新成果的基础上发< 起来的高科技前沿学科。
MEMS技术的发畏开辟了一个全新的技术领域和产业，釆用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微色子器件、色力色子器件等在航空.航天、汽车.生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
MEMS技术正发畏成为一个巨大的产业，就象近20年来微色子产业和计算机产业给人类带来的巨丸变化一样，MEMS也正柱孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的彩响。
目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。
丸多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈辿速增长之势，年平均增加率约为18%,因此对对机械色子工程.精密机械及仪器、丰导体物理等学科的发展提供了极好的机遇.和严峻的挑战JOMEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当肘用丸型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。
由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敘色阻走线,这种变化可以把压力转换成色传号。
MEMS传感器
MEMS汽车传感器MEMS即微电子机械系统的制造，是从专用集成电路（ASIC）技术发展过来的，MEMS技术给汽车界带来的是体积更加小、技术更加先进、价格更加便宜、性能更加可靠的传感器。
随着电子技术的发展，传感器也随之发展，在电子技术中传感器有着不可取代的地位。
随着传感器的发展，传感器在应用的方面也更加广泛,比起传统型传感器MEMS传感器更加适用于现代汽车中。
汽车传感器的性能指标其中包括：环境适应性、精度指标、可靠性、耐久性、响应性和制造成本等。
现代汽车中，MEMS传感器和其他传统型传感器比起来，在各方面有着显著的优势。
MEMS(Micro Electromechanical System)，现代电子系统中，用MEMS技术制作的微型传感器在人们接触的领域中有着十分广阔的应用前景，在现代汽车电子控制系统中，传感器负担着信息采集和传输的作用，它将采集到的信息传给电子控制单元ECU进行处理后，向执行器发出指令来进行电子控制的。
传感器在电子控制系统中是非常重要的，可以说各个系统的控制过程都是要依靠传感器进行的信息反馈来实现自动控制工作的。
随着电子技术的发展，传感器也跟着发展。
在现代汽车中，传感器的使用数量和技术水平决定了汽车控制系统的功能，很多汽车以传感器技术的高低和传感器使用的数量决定整个汽车档次的高低。
一、MEMS传感器概述目前，汽车电子技术已经发展到了一个新阶段，即包括电子技术MEMS（含微机技术）、传感器技术、优化控制技术、网络技术和机电一体化耦合交叉技术等综合技术的大型系统。
有些汽车的电子控制装置已经占到了整车造价的2/3，汽车上电子化的应用程度已经成为衡量汽车档次高低的主要标志。
所谓MEMS技术就是一项在普通的硅基片上综合了传感器、执行器、机械单元和电子器件（并使之协调工作）的技术。
MEMS技术所生产的全部最新的传感器系列已经开始慢慢大量的出现在今天的车辆上，将逐步取代传统型传感器，它们占据车辆中很大的份额。
MEMS微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems)
MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。
MEMS 是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。
MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。
MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。
MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。
目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。
大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。
MEMS是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。
采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。
采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。
微机电系统-MEMS简介_图文
分析和遗传诊断 ,利用微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、
微器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以,微机械
在现代医疗技术中的应用潜力巨大,为人类最后征服各种绝症延长寿命带来
了希望。
*
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OMOM智能胶囊消化道内窥镜系统
• 金山科技集团研制的胶囊内镜
“胶囊内镜”是集图像处理、信息通讯、光电工程、生物医 学等多学科技术为一体的典型的微机电系统（MEMS） 高科技产品，由智能胶囊、图像记录仪、手持无线监视 仪、影像分析处理软件等组成。
21
微射流MEMS技术应用于糖尿病治疗.
这个一次性胰岛素注射泵融合了Debiotech的胰岛素输注系统技术和ST的微射流 MEMS芯片的量产能力。纳米泵的尺寸只有现有胰岛素泵的四分之一. 微射流技术还能 更好地控制胰岛素液的注射量，更精确地模仿胰岛自然分泌胰岛素的过程，同时还能检 测泵可能发生的故障，更好地保护患者的安全。 成本非常低廉。
微机电系统-MEMS简介_图文.ppt
MEMS定义
早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造技术发 明不久，研究人员就想利用这些制造技术和利用硅很好 的机械特性，制造微型机械部件，如微传感器、微执行 器等。如果把微电子器件同微机械部件做在同一块硅片 上，就是微机电系统——MEMS: Microelectromechanical System。
胆固醇,可探测和清除人体内的癌细胞 ,进行视网膜开刀时 ,大夫可将遥控机
器人放入眼球内,在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送
药等方面应用甚广。
MEMS的微小可进入很小的器官和组织和能自动地进行细微精确的操作的特
点 ,可大大提高介入治疗的精度 ,直接进入相应病变地进行工作 ,降低手术风
微型光机械(MOM)压力传感器
微型光机械（MOM）压力传感器人类的大脑通过其神经元活动来协调我们的感知、想法和行动。
神经科学家正努力通过采用能够在行为期间以单神经元和单峰分辨率分离、识别和操纵神经元的方法来理解大脑的功能。
神经探针不仅在细胞外记录、脑机接口（BMI）和深部脑刺激（DBS）方面取得了成功，而且在脑电图、神经元功能恢复和脑部疾病研究等一些新的应用中也成绩斐然。
理想情况下，神经探针阵列应具有良好的生物相容性、具有高信噪比的高密度电极、通过柔性电缆实现的互连功能、高度集成的电子架构，以及集成型微执行器，从而驱动电极柄实现神经元运动跟踪。
为了能够在大脑的多个区域内大规模记录单个神经元，神经探针需要高密度、大数量的电极。
遗憾的是，最新的高密度CMOS神经探针有一个很大的“柄”，它是探针的一部分，会植入到大脑区域。
这个“柄”部分需要做到尽可能薄，以避免干扰或损害正常的大脑功能，眼下，它们还达不到神经科学家希望的那么小。
另外，目前的电子设计架构也不是最佳。
探针设计由大量小型有源电极组成，用于放大和缓冲神经信号。
CMOS像素放大器（PA）位于电极下方极小的空间内，由于空间不足，信号处理被迫在探针的底座完成。
想象一下这种非理想信号路由中的噪声问题，理想情况下希望信号处理紧挨着PA进行。
微型光机械（MOM）压力传感器我们从压力传感器设计开始。
MEMS压力传感器有电容式和压电式，它们体积小，性能相当好。
再就是光纤传感器，它们具有超敏感性和低噪声特性，但在集成度较低的设计架构中使用最佳。
现在，我们将上述两种传感器特性合并为一个集成传感器，即微型光机械（MOM）压力传感器。
与压电和电容传感器设计相比，这种器件可带来更高的灵敏度和更好的噪声特性，但封装尺寸却相同。
MOM器件采用马赫-曾德耳干涉仪（MZI）系统或环形谐振器进行演示（图1）。
北京邮电大学 微机电系统(MEMS)的系统介绍与论述
VLSI系统设计与CAD方法期末论文电子工程学院2012111203班黄奕龙学号：2012140619微机电系统(MEMS)的系统介绍与论述摘要：微机电系统（英语：Microelectromechanical Systems，缩写为MEMS）是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。
本文主要的内容是对其的原理特点与应用等进行了介绍和论述。
关键字：MEMS；微机电系统；Abstract:MEMS(Microelectromechanical Systems) is a an industrial technology which is an integration of microelectronic technology and mechanical engineering,and it can massify micro-institutions, micro sensors, micro actuators and signal processing and control circuits,interface, communicationand power into one system.This paper is to introduce and discuss the principle,characteristics and applications of MEMS. Keyword:MEMS; Microelectromechanical Systems;简介微机电系统（英语：Microelectromechanical Systems，缩写为MEMS）是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。
比它更小的，在纳米范围的类似的技术被称为纳机电系统。
(2021年整理)MEMS技术研究
MEMS技术研究编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（MEMS技术研究）的内容能够给您的工作和学习带来便利。
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本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为MEMS技术研究的全部内容。
MEMS技术的研究一、MEMS技术概述MEMS技术是采用微制造技术，在一个公共硅片基础上整合了传感器、机械元件、致动器（actuator）与电子元件。
MEMS通常会被看作是一种系统单晶片（SoC)，它让智能型产品得以开发,并得以进入很多的次级市场，为包括汽车、保健、手机、生物技术、消费性产品等各领域提供解决方案。
1.1、微机电系统（MEMS）概念虚微机电系统(Micro—Electronic Mechanical System—MEMS），是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的科学技术领域，微机电系统是一个独立的智能系统。
一般来说，MEMS是指可以采用微电子批量加工工艺制造的，集微型机构、微型传感器、微型致动器（执行器）以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等部件於一体的微型系统。
其基本组成见图1。
1所示。
图1.1 MEMS的组成通常,MEMS主要包含微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分。
微机电系统的制造工艺主要有集成电路工艺、微米/纳米制造工艺、小机械工艺和其他特种加工工种。
在微小尺寸范围内，机械依其特徵尺寸可以划分为1-10毫米的小型（Mini—)机械，1微米-1毫米的微型机械以及1纳米—1微米的机械。
所谓微型机械从广义上包含了微小型和纳米机械,但并非单纯微小化，而是指可批量制作的集微型机构，微型感测器，微型执行器以及接口信号处理和控制电路、通讯和电源等于一体的微电子机械系统。
MEMS微传感器的工作原理(1)
改变2倍。利用这个原
d
It
(3)隧道电流敏感原理 隧道电流式微传感器是一种高灵敏度的微传感器，具有噪声小、温度系数小以及动态性能好等 特点。
隧道电流随距离d的变化曲线
(4)压电敏感原理 压电效应:某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其两个表面上会产生极性相 反的电荷；若将外力去掉时，又重新回到不带电的状态。 逆压电效应：在压电材料两端施加一定的电压，材料会表现出一定的形变（伸长或缩短）。
d
d
It
(Байду номын сангаас)隧道电流敏感原理
It V b e xpd
I: 隧道电流，单位为A；
:t 直流驱动电压，单位为V；
1.0 2n 5m eV V: 常数，等于
；
:b 有效隧道势垒高度，单位为eV；
: 隧道电极间距，单位为nm。
1 12
在标准情况下(0.5eV,1nm)，隧道电极间距d 变化0.1nm时，隧道电流
微传感器的分类 按传感机理分
压阻 压电 隧道 电容 谐振 热对流
微传感器的敏感原理 (1)压阻敏感原理 当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电阻发生显著变化的效应称为压阻效应。
在外力的作用下，结构中的薄膜 或梁上产生应力分布，应力的存 在使得压敏电阻的阻值发生变化。
E
压阻变化的具体过程
东南大学压阻式微加速度计样品 SEM（扫描电镜）照片
美国IC Sensor公司生产的压阻式加速度计
电容式
悬浮支架 加速度
固定支架 导电电极
质量块
衬底
a)垂直敏感电容微加速度计结构
固定支点
加速度 质量块
感应叉指
悬浮支架
MEMS传感器及其应用
微机电系统（ 微机电系统（Microelectromechanical Systems，MEMS）是将微电子技术与机械 Systems，MEMS）是将微电子技术与机械 工程融合到一起的一种工业技术，它的操 作范围在微米范围内。比它更小的，在纳 作范围在微米范围内。比它更小的，在纳 米范围的类似的技术被称为纳机电系统。 MEMS（微机电系统）是指集微型传感器、 MEMS（微机电系统）是指集微型传感器、 执行器以及信号处理和控制电路、接口电 路、通信和电源于一体的微型机电系统。
二、MEMS技术基础 MEMS技术基础
MEMS的技术基础可以分为以下几个方面： MEMS的技术基础可以分为以下几个方面： （1）设计与仿真技术； （2）材料与加工技术； （3）封装与装配技术； （4）测量与测试技术； （5）集成与系统技术等
三、MEMS应用研究 MEMS应用研究
人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要 人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要 的是如何将MEMS技术与航空航天、信息通信、 的是如何将MEMS技术与航空航天、信息通信、 生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器 等应用领域相结合，制作出符合各领域要求的微 传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统。 传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统。 MEMS还用于大量声波双工器 MEMS还用于大量声波双工器 （BulkAcousticWaveduplexer）与滤波器、麦克风、 BulkAcousticWaveduplexer）与滤波器、麦克风、 MEMS自动聚焦致动器、压力感测器、MEMS微 MEMS自动聚焦致动器、压力感测器、MEMS微 微型投影仪，甚至MEMS陀螺仪。 微型投影仪，甚至MEMS陀螺仪。
在光纤上制造微球探针的实验报告
在光纤上制造微球探针的实验报告摘要许多微孔和沟槽的侧壁通过当前光学或非接触式测量仪器不易衡量，因此微触探测器在市场上有越来越多的要求。
一个好的球形探针是非接触测量结构的基础。
本文提出了一种低成本和在钨丝尖端制造微球的在线系统，这种系统主要是使光纤融化器的。
基于电弧放电能量吸收的原则和表面张x力现象,形微球在光纤尖端形成。
实验结果表明,选择适当的工艺参数,如电弧,清洁电弧功率补偿,和清洗时间,直径为300微米，圆度误差为6微米的球体可以在直径为125微米的的单模光纤上形成。
在球体形成的过程中，旋转钨丝。
可以抑制球中心和光纤维中心的偏心距，使其不到3微米。
通过在尖端光学纤维尖端直接形成球形探头，这种方法演示了一个简单的进程内尺寸控制方法缩短生产期，使其成为为3 d微探针。
探针可用于微尺度/纳米坐标测量机(机)来提高测量分辨率和扩展微型物体能力。
关键词:微球探针、光学纤维,纤维融合,进程内测量1.介绍尽管许多一维纳米测量系统已经成功地开发和商业化,在过去的十年超高精密三维表面测量技术一直在重视研究。
有相当多的光学分析器3 d的能力作者任何信件都应该向谁解决。
非接触式测量的分辨率纳米,如众所周知的白光干涉仪和全息数字显微镜[1]。
这些设备无法应对高纵横比的侧壁几何测量微孔、沟槽、边缘。
接触的系统设计和集成式微型/纳米尺度的三维坐标测量机(3 d CMM)已成为越来越重要,和发展因此成为一个新的研究领域,由于需要测量微小部分。
这种三坐标需要比传统大规模3 d机更高的测量精度和分辨率。
微触发探测器的设计和制造成为实现测量能力的关键因素。
虽然MEMS过程可以制造不同的微观结构,他们永远不能用当前的技术制造一个完整的微球。
一个可行的方法是使用一层一层地micro-electro放电加工(EDM)方法制造复杂的3 d部分和微探针(3、4),但这是非常耗时的,由于放电坑表面光洁度粗糙。
基于表面张力原理，制造微型球体探针、探测微电火花的新方法近期已经提出了。
mems技术在医疗中的应用
这类传感器可应用于监视病人活动的心脏起搏器，通过植
入式传感器可以实时监测心率变化。举个例子，由于腹部
长了一个大动脉瘤，要求切除一部分脆弱的动脉，用人工
合成的管状器官来替代。这时，可以在手术的过程中植入
一个传感器，用来监视手术部位的压力泄漏。
精选2021版课件
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心脏起搏器
• 每当病人运动时，传感器就会产生一个信号。心 脏起搏器接收到这些信号，然后使心脏也相应的 博动。如果病人在休息，信号为零，则心脏起搏 器会使心脏以正常频率博动，例如大约70次/分钟。 传感器能区分出各种活动，例如走路、跑步、或 是其他身体活动。传感器的输出和运动量成正比。 该传感器的长度为15/100英寸。
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• 大多数测压传感器的核心部件是电阻应变计。该元件受到 拉力或压力时，电阻会发生变化。箔应变计是最常用的一 种，由经过热处理的超薄金属箔片制成。该箔片可以在介 电薄层上化学蚀刻而成，或者采用真空沉积或溅射技术， 通过材料的分子键合附着在介电层上。后一种技术通常称 为薄膜法。理想的应变计应该体积小，成本低，对于负荷 方向上的应变极为灵敏，而且不受周围环境温度变化的影 响。
许多色谱分析在设备上并行运行的时间和成本已经大幅下 降。
其次，创建人类基因组计划（HGP） ，在1990年10月开始 ，DNA测序能力的改善需求。使得毛细管电泳成为成为化 学和DNA分离的一个重点。
精选2021版课件
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第三，美国国防部DARPA支 持了一系列的微流体研究计划 在20世纪90年代后，美国国 防部意识到需要有一个制定现 场部署微检测化学和生物制剂 的机构，因为这都是是潜在的 军事和恐怖主义威胁。 1993年，George.M. Whitesides，哈佛大学的化学 家，推出了价格低廉的基于 PDMS的微细加工，这彻底改变 了生物MEMS领域。生物MEMS领 域的爆炸便是从那时开始。
MENS
MEMSMEMS是由微加工技术制备，特征结构在微米尺度（1um~0.1mm范围）的，集成有微传感器、微致动器、微电子信号处理与控制电路等部件的微型系统。
其中微传感器获取外部信息，微电子信号处理与控制电路处理信息并作出决策，微致动器执行决策。
∙MEMS的特点o MEMS系统器和器件的尺寸十分微小，通常在微米量级，微小的尺寸不仅使得MEMS能够工作在一些常规机电系统无法介入的微小空间场合，而且意味着系统具有微小的质量和消耗，微小的尺寸通常还为MEMS器件带来更高的灵敏度和更好的动态特性。
80[%]以上的MEMS采用硅微工艺进行制作，使其具有大批量生产模式，制造成本因而得以大大降低。
在单一芯片内实现机电集成也是MEMS独有的特点。
单片集成系统能够避免杂合系统中有各种连接所带来的电路寄生效应，因此可达到更高的性能并更加可靠，单片集成有利于节约成本。
组件装配特别困难，目前许多MEMS都是设计成不需要装配或者具有自装配功能的系统。
MEMS构件的加工绝对误差小，使用的材料也较为单一，三维加工能力明显不足。
∙MEMS的应用前景o MEMS技术的发展已经开辟了一个全新的技术领域和产业，基于MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。
目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。
大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18[%]，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。
∙MEMS的发展史o MEMS所带来的第一轮商业化浪潮在20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。
纳米探针与诊断技术
Jaswal等用两种方法分别对HeLa细胞用量子 点标记，首先用二氢叶酸包裹量子点，然后通 过内吞作用将量子点标记在HeLa细胞的囊泡内， 标记的量子点第12天仍稳定存在于细胞中;另 外通过量子点与生物素连接而成的量子点一生 物素(QDs-avidin )荧光探针，对表面生物素 化的HeLa细胞膜进行特异性的标记，结果表明: 标记的半导体量子点在活细胞内能连续承受激 发光(5Omw,488nm laser)照射14小时而荧光强 度不发生明显的减退，在12天后细胞内仍能检 测到可见荧光。
主 要 材 料
水相合成CdTe量子点荧光探针简介
主 要 材 料
水相合成CdTe量子点荧光探针简介
实 验 方 法
水相合成CdTe量子点荧光探针简介
实 验 方 法
水相合成CdTe量子点荧光探针简介
实 验 方 法
水相合成CdTe量子点荧光探针简介
（四）量子点偶联蛋白
实 验 方 法
水相合成CdTe量子点荧光探针简介
2、光学特性
① 激发光波长范围宽且连续分布，而发射波 长的范围窄且呈对称分布，斯托克斯位移大， 不同半导体材料的量子点或同一材料不同粒径 大小的量子点在同一光源照射下发射出不同颜 色的光.
② 具有严格的量子尺寸效应，通过改变量子点 粒径大小可获得从紫外到近红外范围(即从蓝 色到红色波长范围)内任意点的光谱。
2、对生物分子的运动、分布及信号传导的研究
Lidke等用量子点联合荧光蛋白技术对人 表皮癌细胞A431的HER家族erbB介导的信号传 导进行可视化的研究.他们先将人表皮癌细胞 A431的erbBl ,erbB2分别与绿色荧光蛋白和黄 色荧光蛋白融合，得到稳定的表达后，将量子 点与表皮生长因子(EGF)连接而成量子点一表 皮生长因子荧光探针( QDs-EGF)，直接可视化 观察了QDs-EGI与erbB受体的相互作用以及这 些信号分子受刺激后它们的运动情况。
MEMS三维微力探针传感器设计及性能测试
MEMS三维微力探针传感器设计及性能测试王伟忠;赵玉龙;林启敬【摘要】In this paper, an improved micro electro mechanical system (MEMS) tri-axial micro-force probe sensor based on piezoresistive effect was designed and its performance was tested. A cross-beam with a platform suspended within a frame formed the flexible structure of the sensing element and the terraced probe was formed with quartz fiber, so that the anti jamming capacity and sensitivity of the sensor were significantly improved. The overload-protection element was designed to protect the sensor and the final sensor was 4 mm x4 mm × 16 mm. Then the sensor was tested by the tri-axial precision test bench and analytical balance, and the performance test results show that the sensitivity of the sensor is better than 0.010 6 m V/μN, the resolution is better than 3 μN and the linearity error is better than 0.94％ of full scale. Therefore, with small volume, low cost, high sensitivity and resolution, good linearity and anti jamming, the proposed sensor will be widely used in the field of micro-force testing.%设计了一种基于压阻效应的微机电系统(MEMS)三维微力探针传感器并对其进行了性能测试.传感器传感单元采用四梁支撑结构,接触探针采用台阶式石英光纤,使传感器的抗干扰能力和灵敏度得到了显著的提高.设计了传感器的过载保护单元,传感器整体尺寸为4 mm×4 mm×16 mm.利用三维超精密定位平台与分析天平搭建传感器测试平台,对三维微力传感器进行性能测试.测试结果表明,该传感器灵敏度优于0.010 6 mV/μN,分辨率优于3μN,非线性误差优于传感器满量程的0.94%.因此,该传感器具有体积小、成本低、灵敏度高、抗干扰能力强、线性好、分辨率高的特点,在微力测试领域拥有广阔的应用前景.【期刊名称】《纳米技术与精密工程》【年(卷),期】2011(009)003【总页数】4页(P199-202)【关键词】MEMS传感器;三维微力;探针;性能测试【作者】王伟忠;赵玉龙;林启敬【作者单位】西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,西安710049;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,西安710049;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,西安710049【正文语种】中文【中图分类】TH823力传感器作为力测试仪器及机械力操作系统的主要元件被广泛应用于军事与工业领域.随着微机电系统(MEMS)技术的不断发展，越来越多的学者与科研机构开始对微观世界进行深入研究［1］，传统的力传感器已不能满足MEMS系统中微尺度结构力学性能研究的需求［2］，如机器人触觉系统中的微力测量与加载、微纳器件装配中的微力监测、人体微血管张力测量、生物技术、细胞操作以及微纳制造技术等领域［3-4］中对微力测量与控制的需求.为了满足以上需求，国内外科研机构基于MEMS技术研制开发了多种微力传感器，促进了微力学领域的迅速发展.同时，所研制的传感器仍存在一些问题:①目前研制的传感器不能满足对三维μN级力的测量与控制，只能测量三维mN级力或二维μN级力［5-6］;②目前传感器的探针主要分为两种，一种是基于体硅工艺制作，加工工艺比较复杂，探杆仅有100 ～200 μm，不易操作［7］，另一种为金属探针，探针顶端为红宝石或玻璃探头，该探针极易受到磁场的影响，工作环境受到限制，且成本昂贵，不易加工［4］.针对以上问题，基于压阻效应，结合MEMS技术设计了一种三维微力探针传感器，该传感器传感单元应用MEMS技术加工而成，采用台阶式石英光纤为接触探针，可以测量三维μN量级的力，具有较强的抗干扰能力.本文主要研究该传感器的结构设计及其性能测试.1 传感器结构设计与封装三维微力探针传感器主要分为3个单元，分别为弹性单元、过载保护单元以及力接触与传递单元，其结构如图1所示.图1 三维微力探针传感器结构示意1.1 传感器结构设计目前三轴体硅压阻式桥梁力传感器的传感单元有很多结构，包括双桥梁、四梁、六梁、双岛五梁和四边梁等.这些结构都是利用压阻效应，在悬臂梁的应力集中部位制作压敏电阻，以达到对外界三维微力测量的目的.综合考虑灵敏度、加工工艺、稳定性等各方面的影响因素，本传感器弹性单元采用灵敏度高、结构简单的四梁结构，利用4个单端固支弹性敏感梁支撑中心悬块，并将微力探针固定在悬块上.该结构中心对称，相互垂直的悬臂梁提供了各方向应力解耦的结构条件，能够较好地消除非对称结构引起的交叉干扰.同时，x、y方向的结构对称使两个方向的输出基本对称，减小了输出信号处理的难度.另外，弹性单元采用MEMS体硅与表面硅工艺加工制作于SOI硅片(100)上，相对于双岛五梁结构、六梁结构，四悬臂梁垂直结构减少了加工工艺的复杂度;相对于四边梁结构，四梁结构则大大减小了传感器芯片的引线键合、封装、测试的难度，有利于提高器件的加工成品率.为避免力传感器在较大的外界载荷作用下发生损坏，必须对力传感器进行限位过载保护设计.采用Pyrex7740玻璃作为过载保护单元，通过阳极键合技术与弹性单元键合在一起，同时在两单元之间留有5 μm活动空隙，以保证传感器的正常工作.当传感器过载时，悬挂块底部与玻璃接触，从而避免了悬臂梁的断裂破坏，如图2所示.图2 弹性单元与过载保护单元的结构力接触单元是微力传感器中与被测对象接触并传递力学信号的重要部分.针对目前传感器传感单元(即微力探针)存在尺寸小不易操作以及容易受电磁干扰的问题，采用石英光纤为探针加工材料.石英光纤探针具有重量轻、刚度好、粘接容易、便于加工、成本低廉及抗干扰能力强等特点，且石英光纤主要成分为SiO2，与Si热膨胀系数相近，可以有效降低封装过程的残余应力.在选择合适的微力探针材料的基础上，探针优化设计主要包括两个方面:①减少微力探针的变形，提高微力探针的刚度，保证外界作用力全部通过探针传递到三维力转化平台的悬臂梁上;②为保证三维微力测量的灵敏度，同时便于操作，应尽量增加微力探针的长度和减小针尖的半径，这样会减小微力探针的刚度.为了同时满足刚度与测量灵敏度的要求，探针采用台阶式结构，如图3所示.同时，探针与悬块连接处有较大的接触面积，减小了两单元之间的接触应力，降低了检测误差.探针分为3个台阶，总长1.5 cm，第1台阶直径为900 μm，第 2台阶直径为 250 μm，针尖直径为125 μm，这种结构显著提高了传感器的灵敏度.图3 探针的结构1.2 传感器封装封装是半导体器件制造中的重要环节，对器件的功能特性、工作可靠性等具有直接的影响.为了降低封装应力对传感器性能的影响、缩小传感器的封装体积，利用机械性能好、粘贴强度高、温度效应小的环氧胶将阶梯式石英光纤探针粘贴在传感单元的悬挂块上，然后将传感器封装在陶瓷扁平封装管壳中，将粘贴完成的传感器放入烘箱中加热至60℃，并且持续60 min进行环氧粘胶的固化，固化完成后自然冷却到室温，最后利用超声波金丝球焊机通过金线将传感器芯片的引脚键合到管壳引脚上，如图4所示，完成封装的传感器整体尺寸为4 mm×4 mm×16 mm.图4 完成封装的三维微力探针传感器2 传感器性能测试新研制的传感器在实际应用之前，必须进行性能测试，通过测试数据衡量传感器的好坏，并以此为依据改进传感器的设计及加工工艺［8］.利用三维超精密定位平台结合分析天平对压阻式三维微力探针传感器进行了性能测试.2.1 传感器电阻排布及其检测方法所谓压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻或电阻率发生变化的现象.三维微力传感器采用离子注入方式在传感单元敏感梁上制作压敏电阻，利用压阻效应将被测应力转换成压敏电阻的变化，此时电阻的相对变化与应力之间的关系为式中:βl为纵向压阻系数;βt为横向压阻系数;σl为纵向应力;σt为横向应力.由式(1)可知，传感器的灵敏度，即压阻变化率，取决于传感器材料的压阻系数以及压敏电阻所在的敏感梁的应力.单晶硅材料各向异性，其(100)晶面上［110］与晶向压阻系数最大;利用ANSYS软件对传感器进行结构应力分析，可知当对传感器施加外界载荷时，传感器敏感梁两端所受应力最大，故沿［110］与晶向在传感器敏感梁两端布置压敏电阻，如图5所示.并将12个压敏电阻连成3个惠斯通桥路分别测量x、y、z 3个方向的力，如图6所示.2.2 测试平台及性能测试结果分析利用三维超精密定位平台，结合分析天平，对压阻式三维微力探针传感器进行性能测试，如图7所示.该三维超精密定位平台由三维步进电机平台与压电陶瓷驱动平台组合而成，最小位移量为1 nm，分析天平分辨率为0.01 mg，可以满足传感器的测量要求.图7 传感器测试平台为了将传感器固定在测试平台上，设计加工了传感器的夹持机构，如图8所示.图8(a)为对传感器进行z向测试时的定位图，图8(b)为对传感器进行x向或y向测试时的定位图.为了防止夹持机构变形，采用密度小、刚度好的环氧树脂板为加工材料.将该夹持机构一端平行于分析天平固定在测试平台上，并将传感器通过绝缘胶带固定在夹持机构的另一端.在高倍放大镜的观察下，通过位移平台控制器控制夹持机构向下移动使传感器探针与电子天平称盘接触并相互作用，将力的变化传递到传感器弹性单元的悬挂块，敏感梁因为悬挂块的移动或转动发生弯曲，引起表面扩散的压敏电阻检测应力的变化，并通过惠斯通电桥输出与被测几何量成正比的电压信号，实现微力传感器的静态测试.图8 传感器的夹持机构测试结果表明，该传感器的分辨率优于3 μN，同时利用Matlab软件对通过电子天平读出的作用力与万用表读出的电压值进行数据分析，分析结果的拟合曲线见图9，传感器在x轴方向的灵敏度为0.168 2 mV/μN，非线性误差为传感器满量程的0.19%，z轴方向的灵敏度为0.010 6 mV/μN，非线性误差为传感器满量程的0.94%.x轴、z轴的输出与输入关系为式中:Fx和Fz分别为x轴方向和z轴方向施加的作用力，μN;Ux和Uz分别为x轴方向和z轴方向的输出电压，mV.图9 x轴和z轴方向加载时传感器输出的拟合曲线3 结语本文基于压阻效应设计了一种三维微力探针传感器，并搭建了测试平台对传感器进行了性能测试.测试结果表明，该传感器灵敏度优于0.010 6 mV/μN，分辨率优于3 μN，非线性误差优于传感器满量程的0.94%.传感器采用阶梯式石英光纤为探针，使传感器的抗干扰性与灵敏度得到显著的提高.研究开发的这种三维微力探针具有灵敏度高、可靠性高、体积小、成本低、抗干扰能力强等特点，是实现机器人微触觉、微纳器件的装配、微生物操作等新技术的重要工具，在微力学测量领域将具有广阔的发展前景.参考文献:【相关文献】［1］Gao W，Satoshi G，Yasuto K，et al.Design of a nanofabrication probe with a force sensor［J］.Nanotechnology and Precision Engineering，2005，3(4):307-313.［2］王家畴，荣伟彬，孙立宁.微操作中力的检测及控制［J］.压电与声光，2007，29(4):464-467.Wang Jiachou，Rong Weibin，Sun Lining.Force sensing and control in micro-manipulation［J］.Piezoelectrics ＆Acoustooptics，2007，29(4):464-467(in Chinese).［3］张国军，陈尚，薛晨杨，等.纤毛式MEMS矢量水声传感器的仿生组装［J］.纳米技术与精密工程，2009，7(3):221-227.Zhang Guojun，Chen Shang，Xue Chenyang，et al.Bionic encapsulation of a hair cell vector hydrophone based on MEMS［J］.Nanotechnology and Precision Engineering，2009，7(3):221-227(in Chinese).［4］Tibrewala A，Phataralaoha A，Biittgenbach S.Analysis of full and cross-shaped boss membranes with piezoresistors in transversal strain configuration［J］.Journal of Micromechanics and Microengineering，2008，18(5):1-6.［5］Duc T C，Creemer J F，Sarro P M，et al.Piezoresistive cantilever beam for force sensing in two dimensions［J］.IEEE Sensors Journal，2007，7(1):96-104.［6］Beccaia L，Rocella S，Arena A，et al.Design and fabrication of a hybrid siliconthree-axial force sensor for biomechanical applications［J］.Sensors and ActuatorsA:Physical，2005，120(2):370-382.［7］Vazsonyia E，Adama M，Ducsoa C，et al.Three-dimensional force sensor by novel alkaline etching technique［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2005，123/124:620-626.［8］李科杰，吴三灵，安钢，等.新编传感器技术手册［M］.北京:国防工业出版社，2002.Li Kejie，Wu Sanling，An Gang，et al.The New Handbook of Sensor Technology ［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2002(in Chinese).。
MEMS综述
MEMS综述一、EMES基本概念微机电系统一词源于美国，日本称为微机械，欧洲称为微系统是指利用微电子精细加工手段制造微米量级内的设计和制造技术。
它是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。
二、发展历史MEMS这一名词是由美国国家科学基金会于1989年正式提出的，从技术上看，它的产生和发展经历了以下3个主要时期:1、发展初期20世纪50年代，MEMS随着集成电路制造技术的发展而出现。
20世纪60年代的主要研究内容是硅微型传感器和各向异性蚀刻技术。
但是，这个时期的器件由于不够完善而没有商品化。
2、快速发展期20世纪70年代，汽车用传感器和医用压力传感器开始成为MEMS的研究重点，并促进了相应微加工技术的完善。
20世纪80年代，世界各国相继开始MEMS 领域的研究，制造技术不断完善，应用领域快速拓展。
80年代后期，包括微加工、结构设计、微动力学、材料学、控制理论、测量等多个领域在内的MEMS研究全面展开。
3、高速发展期20世纪90年代MEMS在国防生物医学、汽车、通信、航空航天等领域的应用全面开始，并有大量MEMS产品推向市场。
21世纪，MEMS逐步从实验室走向实用化。
MEMS的研究领域将进一步扩展，逐渐形成纳米器件、生物医学、光学、能源、海量存储、信息等新的应用方向，并从单一的MEMS器件和功能向着系统功能集成的方向发展。
三、研究内容1、理论研究主要研究微尺寸效应、微磨擦、微结构的机械效应。
微机械、微传感器、微执行器等的设计原理和控制方法。
2、工艺研究主要研究微材料性能、微加工工艺技术、微器件的集成和装配以及微丈量技术等。
世界上制作MEMS器件的工艺技术主要有三种：第一种是以美国为代表的利用化学离蚀或IC工艺，对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件。
目前，国内主要利用这种方法制备MEMS器件，该方法与IC工艺兼容，可实现微机械和微电子的系统集成，适合批量生产，成为制备MEMS器件的主要技术；第二种是以德国为代表的LIGA技术，它利用X射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑工艺形成深层微结构方法，制作MEMS器件。
MEMS微针
制备工艺
目前微针制作工艺主要是硅微加工工艺和LIGA工艺。 （1）利用硅微加工工艺制作微针。工艺流程大概有热氧化， 光刻，体硅腐蚀，反应离子刻蚀 等。 （2）微针对MEMS 加工来讲是一种高深宽比微结构。目前 的微细加工技术中只有少数技术可以获得高深宽比, 其中 比较成功的是LIGA 技术。该技术的优点是能够获得具有 深宽比高、结构精细、侧壁陡峭、表面平整的微结构。
硅微针
R L P．Gassend等人用深度 反应离子刻蚀(depth reactive ion etching，DRIE)制作了复 杂的硅针状结构。 这种针是具有高深宽比的针 状硅结构，有几百微米的高度， 具有亚微米级的锋利凸出结构。 由于刻蚀和曝光的不均匀性， 制作出的结构跟设计的针结构 之间存在较大偏差，除此之外， 用刻蚀的方法刻蚀深高宽比的 结构对于工艺条件的要求也过 于苛刻，不易实现。
硅微针
硅材料的性能优异，便于集成化，成本低，制作工艺技术 成熟。 硅微针主要利用各向同性和各向异性腐蚀（或刻蚀）相结 合的工艺制成，有腐蚀法和微模具法。 湿法腐蚀或干法刻蚀硅基底形成空腔和针头，再利用固相 键合或沟道再填充技术形成封闭的结构，可制成异平面实 心微针、异平面空心微针或同平面空心微针；微模具法可 制成同平面空心微针。
优势：
（1）针头极其锋利，对生物组织器官的破坏量小，可避免与痛觉感受器 官接触；表面处理后，MEMS微针可避免被刺入区域的感染和发炎；还 可通过制作微结构过滤细菌，降低注射引起的细菌感染。 （2）可精确控制注射的剂量、速率和位置；可利用多个微针和流体控制 技术混合药物溶液，并注射到生物体内。 （3）可穿透皮肤提取体液样品进行分析；可通过其上的微电极反馈体内 药物浓度的变化情况；可制成便携式装置监测生物体在药物传输与释 放过程中的新陈代谢。 （4）具有高集成度，传统的药物传输系统高考样品存储与供应系统、控 制系统、推进系统和检测系统，MEMS微针将这些系统集成并封装到极 小的体积内实现未定的药物/基因传输过程。 （5）可大批量加工，可以大大降低成本。
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人机接口的可行方案 １．１．１ 研究神经系统的有力工具
在过去的几十年中，对神经系统活动特性和功能机制的了解，在相当程度上 依赖于神经生理手段检测中枢神经和外围神经系统中单个神经元产生的生物电
势，是我们了解脑功能的最重要的方法之１糊０是对于了解大脑处理信息来控制
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｅｕｒｏｎ，ｍｉｃｒｏ ｐｒｏｂｅ，ＡＣ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ
论文独创性声明
本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了 特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示 了谢意。
图１－２ 多个电极同步记录
１．１．２ 神经修复的基本元件【４】 数世纪以来，人们努力研究神经系统，并探寻治疗神经损伤的方法为了成功的
实现闭环神经修复必须记录和处理很多的神经元发出的控制信号多数的神经修 复设备依赖神经元一电子线路记录和刺激去驱动已经失去输入信号或控制通路
ｓｔｕｄｉｅｄ．
３．Ｒｅｌｅａｓｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｉｎｇ ｂｏｔｈ ｔｈｅ
ｆｉｘｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｌａｃｋ ｗａｘ ｔｏ ｐｒｏｔｅｃｔ ｔｈｅ ｆａｃａｄｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｉｓ
ａｂｏｖｅ ９０％ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｅｐ．
ｔｈｅ ＲＩＥ ｅｔｃｈｉｎｇ．Ａ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｅａｓｙ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ
ｓｉｄｅｗａｌ １ ａｎｇｌｅ ｏｆ Ｓｉ ｅｔｃｈｉｎｇ．Ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌ Ａ１ ｍａｓｋ ｉｎ
ｔｈｅ ＲＩＥ ｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉ ｓｍａｔｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅｓｅ ａｒｅ
３．湿法腐蚀结构释放 在释放过程中，提出了一种采用夹具和黑蜡结合的 方法来保护正面结构，在释放的最后阶段采用ＲＩＥ分别刻蚀每个器件所剩余的 Ｓｉ，解决了正面结构起伏较大（２０－４０“胁）情况下的释放问题，并保证了９０％以 上的单步良率。
本文设计并制作的微探针长度为２．６－３ｒａｍ，宽度为１３０．２８０“ｍ，厚度为
ａｓ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ：
１．Ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｔｒｅｓｓｅｓ
Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍｉｃｒｏ—ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ
ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｘｉｄｅ，ＰＥＣＶＤ Ｓｉ０２ ａｎｄ
ＰＥＣＶＤ ＳｉＮ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ＣｏｎｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｎ
Ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ，ｔｏ ｍｏｄｉｆｙ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｅ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｅ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ＳＩ ａｒｅａ ｏｆ ｒａｔｓ．Ｔｈｅ ｐｒｏｂｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ．
Ｍｉｃｒｏｐｒｏｂｅｓ ｍａｄｅ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ２．６－３ｍ ｌｏｎｇ，１３０—２８０ｕｍ ｗｉｄｅ，ａｎｄ
２０－４０ｕｍ ｔｈｉｃｋ．Ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｅ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＡＣ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｓａｌｉｎｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｗｈｅｎ ａｔ １ＫＨｚ，ｉｔ ｉｓ ａｂｏｕｔ １００Ｋ一１Ｍ ｏｈｍ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ．ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｅ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ ｓｏｍｅ ｗａｙｓ ａｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ．
ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．
２．ＲＩＥ ｅｔｃｈｉｎｇ
Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ
ｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄ ａ ｍｏｒｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｓ ｆｏｕｎｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｍａｄｅ ｔｏ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃａｔａｌｙｓｔ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌ ｉｎ
２０－４０／【ｌｍ。对探针的等效电路模型进行了研究，并且测量了探针在生理盐水中的 交流阻抗。在１ＫＩ－Ｉｚ时，其阻抗在１００Ｋ－１Ｍ欧姆，符合神经元探针的要求。在 电路模型的基础上，讨论了探针的噪音特性，并提出了一些改善噪音的有效方法。
本文进行了多次的ＳＤ大鼠的在体生物实验，并根据生物实验结果对探针的
ｆｉｌｍ ｓｔｒｅｓｓｅｓ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｓｍａｔｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ
ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ ａｎｄ Ａｕ ａｐｐｅａｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ，ａｎｄ ｓｏｍｅ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ
复旦大学 硕士学位论文 MEMS神经元微探针 姓名：程正喜 申请学位级别：硕士 专业：微电子学和固体电子学 指导教师：黄宜平
20070605
摘要
ＭＥＭＳ神经元探针是研究神经系统的有力工具，是神经修复的基本元件，是 人机接口的可行方案。本文根据神经生理研究的需要，采用ＭＥＭＳ技术研究了 二维四针二电极神经元无源微探针，开展了微探针的结构设计、工艺制作和性能 测量等工作，并将其初步应用於复旦神经生物研究所的ＳＤ大鼠的生理测试。Ⅳｍ
级神经元提供信号龇’就其本质而言，神经元是多输入，多输出的系统，神经
信号传递过程则为相互关联的平行过程神经元信息不仅为放电频率所携．２带， 也存在与其放电的时间序列和空间模式中【２ｌ这需要一种具备良好空间分辨率， 能记录神经组织行为的工具，能够同时且长时间的记录大量的神经元信号
对于传统方法１２］［３１，人们可以对神经活动中的单个神经元的膜电位变化进行 记录，对神经元触突传递过程中递质和受体的相应作用进行分析，甚至对膜上某 个离子通道的或某个具体的胞内代谢过程在神经系统中的作用进行探究然而随 着神经生物学的发展以及对神经系统的进一步了解，人们越来越认识到整合【２】 水平上的研究对揭示神经系统活动特性及机制是十分重要的１３】
０．３－０．５ＧＰａ，ＰＥＣＶＤ Ｓｉ０２（５０００Ａ）的应力约为０．１－０．２ＧＰａ，ＰＥＣ、，Ｄ ＳｉＮ（５０００彳） 接近无应力状态。对流片过程中出现的上绝缘层和Ａｕ之间的应力不匹配进行了 有限元分析，并在工艺实现上提出了相关的解决方案。
２．ＲＩＥ刻蚀ｓｉ 采用统计分析的方法对刻蚀结果进行了分析，找出了较为 合适的条件。刻蚀Ｓｉ的速度达到１．０－３．０／ｚｍ／ｍｉｎ。同时，首次用实验验证了舢 在ＲＩＥ刻蚀过程中的催化作用。提出了一种简单易行的方法来控制刻蚀ｓｉ的侧 壁的角度，使刻蚀的侧壁倾角在８５。．９０。。对Ｒ难过程中，研究了金属Ａｌ掩 膜的发热现象，以及由此引入的薄膜应力不匹配问题，采用了分部刻蚀方法得到 解决。
Ｔｈｅ ｔａｓｋ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｕｌｔｉ—ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｐａｓｓｉｖｅ ｎｅｕｒｏｎ ｐｒｏｂｅ．Ｉｎ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｍａｎｙ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ ａｒｅ ｓｏｌｖｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｔｒｅｓｓｅｓ，ＲＩＥ ｄｅｅｐ ｅｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｌｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌｓ ａｒｅ
身体机能，神经元和神经系统的基本结构，神经元之间的活动当某个神经元细胞 受到刺激时，它的细胞膜就会去极化，产生流出细胞的离子电流这个电流导致的 电压可以通过插在神经元间隙中合适的探针来观测典型的细胞外单一活动电势 的辐值是５０－５００微伏，频率范围是１００Ｈｚ．６ＫＨｚ图１－１描述了典型的神经元信 号【１ｌ
图１－１ 典型的神经元信号 神经元是神经系统的基本功能单元对中枢神经系统信号加工传递机制的认 识，在很大程度上有赖于神经元信号传递过程的认识在神经信号传递过程中，一 个神经元往往同时接受多个前级神经元的输入；在这些输入信号的综合作用下， 神经元细胞膜的电位产生相应的变化，进而以电输出或化学输出的方式为多个后
设计参数和工艺流程进行了多次修改。结果表明探针是适合测量ｓＤ大鼠的大脑 皮层体感Ｉ区的神经信号的。
关键词： 神经元，微探针，交流阻抗
Ａｂｓｔｒａｃｔ
ＭＥＭＳ ｎｅｕｒａｌ ｍｉｃｒｏｐｒｏｂｅ ｉｓ ａ ｕｓｅｆｕｌ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｎｅｕｒｏｐｈｙｓｉ０１０９ｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ， ｔｈｅ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｎｅｕｒａｌ ｒｅｐａｉｒ，ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｂｒａｉｎ－ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｔｈｉ ｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｕｌｔｉ－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｍｉｃｒｏｐｒｏｂｅ ｗｉｔｈ ｆｏｕｒ ｆｏｒｋｓ．Ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｔａｓｋｓ ｉｎｖｏｌｖｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏｐｒｏｂｅ，ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ。ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ａｔ ｌａｓｔ．ｎｅｕｒａｌ ｓｉｇｎａｌｓ ｏｆ ＳＤ ｒａｔｓ ｉｎ Ｓ１ ａｒｅａ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｎｅｕｒａｌ ｐｒｏｂｅ ｉｎ ｒｉｖｅ．