综述：生物医学MEMS器件的前景与趋势
2025-12-23 10:48:49 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文综述了生物医学MEMS器件当前的研究趋势，重点介绍了生物医学MEMS领域的重大材料进步和新兴技术，以应对该领域当前面临的挑战，例如确保生物相容性、实现小型化以及在生物环境中保持精确控制。
在微纳米尺度上设计和制造器件具有显著的优势，包括高精度、快速响应时间、高能量密度比和低生产成本。这些优势推动了对微机电系统（MEMS）和纳米机电系统（NEMS）的广泛研究，从而催生出各种材料和制造技术，最终用于生产不同类型的MEMS和NEMS器件。
据麦姆斯咨询报道，近期，北卡罗莱纳农工州立大学在Biomolecules期刊上发表了题为“Prospects and Trends in Biomedical Microelectromechanical Systems (MEMS) Devices: A Review”的综述文章，旨在系统地整理生物医学MEMS领域相关的文献，包括既往成果、当前进展与未来展望。本文综述了当前的研究趋势，重点介绍了生物医学MEMS领域的重大材料进步和新兴技术，以应对该领域当前面临的挑战，例如确保生物相容性、实现小型化以及在生物环境中保持精确控制。本文还探讨了生物医学MEMS器件的潜在应用，包括在先进诊断工具、靶向药物输送系统和创新治疗设备中的使用。通过梳理这些趋势和前景，本文有助于确定生物医学MEMS领域的研究空白。通过识别这些关键缺口，研究人员可以专注于解决未满足的需求，并推进最先进的生物医学MEMS技术的发展。最终，这将有助于开发更有效和创新的生物医学设备，从而改善患者诊疗质量与预后效果。
I MEMS器件的材料与类别
MEMS和NEMS是广泛应用于传感、执行、通信、供能等领域的创新器件。这些器件的性能水平，主要取决于其具体类别、材料、分类、组件及控制其运行的工作原理。下图概述了MEMS器件制造中常用的材料。在实际应用中，需要根据MEMS器件的具体应用场景，充分利用这些材料的独特特性与优势。
常见的MEMS材料
MEMS可根据其功能应用进行分类，如下图所示，其主要类别包括传感器、执行器、射频元件、光学器件和微流控器件。
MEMS器件类别
II 制造工艺
自MEMS诞生以来，其器件的制造工艺不断发展和进步。制造方法多种多样，但最流行的包括体微加工、表面微加工等。这些技术对于将薄膜或晶圆材料加工为高质量、高精度且适应性强的MEMS器件至关重要，例如无源部件、微型执行器和微型传感器。
体微加工是一种通过在衬底（通常是硅，因为它的晶体特性）内部进行蚀刻的制造工艺，可制得用于MEMS器件生产的各类功能结构，例如悬臂梁、隔膜、背腔、微流控通道。为在衬底内制备出精确且光滑的结构，该工艺涵盖衬底准备、光刻、蚀刻、清洗、检测及封装等关键步骤。体微加工的具体工艺流程如下图所示。
MEMS体微加工制造工艺
体微加工和表面微加工之间有一些相似之处。表面微加工是一种基于蚀刻与薄膜沉积工艺，在衬底表面制备结构的MEMS制造工艺。下图展示了表面微加工工艺。微型传感器、微型执行器和其它复杂的微系统经常使用这种技术开发。表面微加工技术通过批量加工降低成本，并且能够集成多层以提高器件性能。然而，残余应力和精确对齐的要求等问题仍有待解决。尽管存在这些困难，表面微加工仍然是制备复杂微系统的核心工艺，在众多高科技领域中具有巨大应用潜力。
MEMS表面微加工制造工艺
针对金属、陶瓷、塑料等无法通过传统硅基加工工艺制备的材料，若需加工这类材料以构建MEMS器件，可采用LIGA（光刻、电铸、塑铸）。LIGA是一种微纳制造技术，可制造高分辨率、高深宽比的微结构。该技术通过深X射线或紫外光刻进行图形设计，利用电铸创建金属结构，利用塑铸实现材料成型。LIGA非常适合制造精密金属、聚合物和陶瓷元件，这些元件广泛应用于精密齿轮、微型涡轮机和微光学等高性能MEMS器件中。
III 生物医学应用
MEMS生物传感器广泛应用于即时检测（POCT）领域，覆盖药物研究、环境监测、食品安全和医疗保健等行业。为了开发用于环境监测、疾病诊断、药物研发和食品质量评估的集成、可扩展且可持续的生物/化学传感系统，MEMS生物传感器必不可少。MEMS生物传感器在微尺度下工作，具有高灵敏度、高准确度和高精度，且易于大规模制造，为众多生物医学应用带来新的发展机遇。此外，它们还具有可靠性高、重量轻、能耗低的特点，可适应复杂严苛的工作环境。MEMS生物传感器被用于健康监测、药物监测、可穿戴设备及医疗诊断等领域。这些生物传感器还可以评估环境和食物中的毒素，识别疾病，并监测化学或物理信号及生物系统。得益于在多领域内快速、精准、实时采集数据的能力，MEMS生物传感器已成为不可或缺的关键技术。下图显示了具有多功能探针的单材料MEMS（SMM）系统，可以记录单个神经元活动并检测细胞外神经递质。
具有多功能探针的单材料MEMS系统
MEMS生物传感器发展历史
由于其体积小、功耗低、精确实时的健康和活动监测、高灵敏度、适应性、易于集成、经济实惠、方便耐用，MEMS生物传感器在健身和医疗保健行业占据关键地位。近来，为满足市场对经济实惠、用户友好的持续心血管健康监测可穿戴设备日益增长的需求，基于MEMS生物传感器的柔性腕带设备已开发出来。制造技术和材料科学的进步显著提高了传感器在健康信息技术中的应用，尽管目前仅有少数使用传感器进行实时心血管监测的设备经过临床验证。通过利用一系列传感器非侵入式地收集实时生理指标，MEMS还被集成到各种时尚好用的设备中，以增强消费者的临床诊断体验。
MEMS换能器（包括MEMS传感器和执行器）结合了机械和电气元件，在微尺度上实现能量转换。压力传感器、加速度计、陀螺仪、麦克风等典型MEMS器件，在众多领域中提供精确可靠的测量与控制功能。生物传感器是将生物信号转化为可观测输出信号的器件，是许多生物医学MEMS应用的重要组成部分，特别是与生物感受器和微电子技术结合使用时。
MEMS微阀对于化学加工、生物医学工程和芯片实验室技术至关重要，因为它们可以处理传统设备无法处理的微量流体。玻璃的光学透明度、生物相容性、机械刚性和热稳定性使其成为MEMS微阀及微流控器件的理想材料，因为它结合了强度、稳定性、安全性和透明度，以满足尖端技术应用的严格需求。
在生物医学应用中，MEMS执行器和电路至关重要，因为它们允许对植入物、手术器械、假体和诊断系统等设备进行精确控制和自动化。电路负责信号处理、时序调控与反馈管理，而MEMS执行器则执行运动或药物输送等物理活动。二者协同工作，共同推动脑机接口、智能植入体、仿生肢体及康复设备等尖端技术的发展，从而显著提高医疗保健的有效性和个性化水平。
IV 挑战和未来趋势
生物相容性材料在短期或长期内不会损害活体组织。确保生物相容性有助于防止不良反应，例如炎症、免疫反应或长期毒性。不同应用场景对材料的偏好性有所差异，这也带来了器件使用寿命平衡的技术难题。如果材料选择不当，MEMS器件可能会刺激甚至损伤组织，从而可能导致传感器读数不正确，并对个人造成伤害。MEMS器件中最常用的材料可分为三类：硅基材料、金属和聚合物。
生物医学MEMS器件中仍然存在的一个技术挑战是需要在最终环境中为这些器件供电。为纳米级执行器供电是困难的，因为电池还不是纳米级的。用于为部署在生物环境中的MEMS器件供电的任何设备都需要具有生物相容性、高效性和可靠性。一种潜在的解决方案是原位能量收集，将环境刺激转化为电能。
封装也很困难，因为封装既要能够保护MEMS器件免受环境条件的影响，又要能实现与外部环境的可控交互。鉴于MEMS器件种类繁多，目前尚无通用的解决方案。
能够采集个体实时数据、监测患者治疗反应的MEMS器件，可助力实现更具针对性的治疗方案，或将成为推动个性化医疗发展的关键力量。疾病确诊后，将MEMS 器件与人工智能（AI）技术相结合，借助AI的实时数据分析、决策制定及预测建模功能，可助力优化并执行所需的治疗方案。展望未来，各种生物医学MEMS器件有望植入人体内部，MEMS药物输送系统亦可按需启动。
实现个性化人工智能集成医疗的基础技术，在于为人体内的微纳米级器件供电的能力。当前，原位能量收集领域正受到日益增长的关注与需求，其核心理念是从周围环境中获取能量，为特定的MEMS传感器或执行器供电。
芯片实验室（LOC）技术提倡在一个微型芯片上完成一项或多项实验任务。芯片实验室的研究进展将对化学、生物学和医学领域带来极大的益处。这项技术可以通过混合流体用于化学反应，也可以通过采集小样本并将其放置在芯片上用于医学诊断。这对目前在医疗保健领域进行的大量实验室工作产生了影响。下图概述了当前生物医学MEMS领域面临的挑战，以及应对这些挑战的一些潜在解决方案。
生物医学MEMS器件面临的挑战和潜在的解决方案
总而言之，生物医学MEMS器件结合了微纳米级的机械和电气元件，为当代医疗保健提供高性能、紧凑和有效的解决方案。本综述全面介绍了对MEMS技术进步至关重要的材料、器件类别及制造工艺。详细阐述了对本文讨论的行业至关重要的MEMS制造工艺及其具体应用领域。讨论了MEMS在生物传感器、执行器、微流控系统和混合器件中的生物医学应用。该综述探讨了生物医学应用面临的问题，例如材料相容性、功率效率和小型化的必要性。基于材料科学和制造方法的进一步发展，描述了当前挑战和潜在解决方案，这将提高MEMS器件的集成度和功能。本文揭示的研究空白将使科研人员能够专注于解决未满足的需求，推进尖端的生物医学MEMS技术进步，从而促进更有效、更具创新性的生物医学MEMS器件开发，并改善患者诊疗质量与预后效果。
论文链接：https://www.mdpi.com/2218-273X/15/6/898
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