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微系统和纳米工程研究领域的最新进展 精选

已有 8700 次阅读 2018-7-31 14:13 |个人分类:科研工作|系统分类:科研笔记| MINE, 国际会议

 

微系统和纳米工程研究领域的最新进展

——MINE2018国际会议综述

缪立明,张海霞*

(北京大学 微米/纳米加工技术国家重点实验室,北京 100871)

通讯作者:hxzhang@pku.edu.cn

 

摘要:Microsystems & Nanoengineering Summit系列会议是Microsystems & Nanoengineering国际期刊创建的同名国际会议交流平台,2018年7月8日至11日,Microsystems & Nanoengineering Summit 2018(MINE2018)暨第5届微系统与纳米工程国际研讨峰会在北京中国科学院学术会堂隆重召开,来自世界各地的专家教授、青年科学家、青年学者齐聚一堂,分享其在微纳米科技领域的最新研究成果。此次会议设有医疗微机电系统、微光学、软材料和智能系统、传感器和传感系统、微流体、微/纳机电系统、微加工、超材料和微能源、纳米加工和应用等8个专题,共有包括邀请报告和青年科学家报告在内的53个口头报告和60个海报展示。本文将从光电器件在生物医疗的应用、可穿戴设备、微能源系统等角度,详细介绍和阐述相关领域的研究现状与突出成果,并对产业发展趋势进行总结与展望。

 

关键词:MINE2018;微纳米加工与集成;微纳电子与生物医疗;微纳米系统

 

Overview of MINE 2018

MIAO Li-ming, ZHANG Hai-xia*

(National Key Laboratory of Science and Technology on Micro/Nano Fabrication, Institute of Microelectronics, Peking University, Beijing 100871, China)

Abstract:Microsystems & Nanoengineering Summit is the international exchange platform created by the Journal named Microsystems & Nanoengineering. Microsystems & Nanoengineering Summit 2018(MINE2018) was held in Beijing, China during July 8-11, 2018. The conference brought together professors, young scientists and students worldwide to demonstrate their most recent and advanced findings in Microsystem and Nanoengineering. The summit has eight subjects includingMedical MEMS, Micro Optics, Soft Materials & Smart Systems, Sensors/ Sensing Systems, Lab on a Chip/Microfluidics, MEMS/NEMS, Microfabrication, Metamaterials/ Micro-Power and Nanofabrication & Applications, where 53 oral presentations from invited professors and young scientists and 60 poster presentations show recent works and development in Microsystems and Nanoengineering. papers were accepted as oral and poster presentations. In this review, the current research and potential prospect in smart wearable devices, microfluidics, and micro-energy systems have been introduced. In this review, the current research and potential prospect in Optoelectronic device for medical, smart wearable devices, and micro-energy systems have been introduced. Definitely, the success of this conference would significantly promote the development of Micro/Nano technology.

 

1会议概况

 

微系统与纳米工程国际会议(Microsystemand Nanoengineering Summit,简称MINE)是微纳米系统领域的高水平学术会议。会议旨在汇集全球微纳米系统领域的专家和青年学者,共同探讨微纳米系统的加工、应用及面临的问题,推动最新的研究成果共享,促进跨领域学科交叉,从而实现微纳米系统领域的各个方向的共同发展。

图1 MINE2018大会会场

 

2会议技术概况

 

MINE2018自2018年7月8日至11日,包括大会特邀报告、青年科学家论坛以及海报张贴等内容,会议主题分为8大类,包括医疗微机电系统、微光学、软材料和智能系统、传感器和传感系统、微流体、微/纳机电系统、微加工、超材料和微能源、纳米加工和应用,几乎覆盖了微纳米系统领域的全部研究主题,是微纳米系统领域的一场饕餮盛宴。本届会议本届峰会针对微纳系统研究与应用,邀请了来自美国、加拿大、英国、法国、德国、荷兰、爱尔兰、瑞士、日本等九个国家和地区的二十三位专家做特邀报告,其中海外院士五位。同时有30位青年科学家参与了本次青年科学家论坛展示各自的最新研究成果,以及来自24个单位的60篇海报展示。最终,经过技术委员会专家的认真细致的评审工作,评选出了6位“青年科学家奖”获得者,他们分别是来自南洋理工大学的张翼、清华大学的盛兴、多伦多大学的刘新宇、东南大学的陶立、宾夕法尼亚大学的冯亮和德克萨斯A&M大学的黄子劲,同时评选出了10位“最佳学生海报奖”获得者。

图2 “青年科学家奖”提名者及专家评审团合影

 

3大会特邀报告

 

本次大会特别邀请了来自世界各地的专家教授进行了23场精彩且深入的报告,从各自研究的工作成果,目前微纳米科学研究遇到的问题与挑战,到行业未来的方向与机遇等等全方位、多领域多方向进行了细致的讲解与介绍。

作为微电子机械系统(MEMS)领域的泰斗,MasayoshiEsashi教授于1976年在日本东北大学分别获得了电子工程博士学位。他在东北大学电子工程学院先后担任研究员和副教授,1990年成为东北大学教授,并于2006年以工学研究者的身份获得日本紫绶褒章。他在东北大学的纳米机械研究室致力于微机电系统的研究和应用,研究领域包括微机电系统,集成式传感器,微系统和微机电系统封装等,获得很多与实际应用相结合的研究成果,并得到了世界范围内超过75个企业的支持。Esashi教授在半导体微机电系统设计制造领域著书百余部,发表论文700余篇。2010年4月,被选为日本在最先端研究开发1000亿日元支援项目的30位科学家之一。

 

图3 大会特邀报告人之一——江刺正喜教授

 

 

本次报告,Esashi教授特别为我们介绍了在东北大学关于异构制造、手动操作制造设备方面的内容以及微机电系统展示实验室。通过将MEMS器件异构集成的方式转移至载体晶圆上实现了MEMS器件与大规模集成电路的集成,声表面滤波器,薄膜腔声谐滤波器,压电MEMS开关,触觉传感器等都是“MEMSonLSI”很好的例子。而且,可手动操作的微加工设备已经于2010年开始,这样使得那些无法拥有相关设备的单位能够派遣员工去外加工单位按照自己的需求进行操作来获得小批量的生产和制造。

 

4青年科学家论坛

 

4.1用于深脑神经调制和传感的植入式光电器件

 

来自清华大学的盛兴介绍了植入式光电器件在深层大脑神经调制及传感的应用的相关工作。一般来说,可见光和近红外波段的光学信号进入生物组织的穿透深度从几十微米到几毫米不等,由于复杂的光生物相互作用,例如散射和吸收,这种穿透是有限的[1]。为了实现深层组织光传输(>1厘米),需要先进的可植入光电器件和系统。将波导、光发射器和探测器直接注入到动物的深层体内,可以拓宽一些潜在的应用,例如激光外科、视网膜修复、图像识别等。最近关于基因编码的光制动器和指示器的进展促进了用于在时间和空间上检测和操纵神经元活动的多功能工具的形成。植入式光学解决方案具有利用光刺激以及通过遗传编码检测特定神经元活动的优势。

用于颅内光传输和检测的已建立的工具之一是使用植入式光线(大部分情况下是波导)进行体内的大脑深层光遗传袭击和荧光信号的检测。关于基于柔性可拉伸甚至生物兼容材料的光学神经交界、标准石英玻璃、光纤和波导的相关问题已经被广泛且深入的研究。而最近研究的多功能光纤将电机和微通道结合在一起,可以同时进行光信号刺激、电生理传感和药物递送[2]

图4 神经科学的代表性植入式电子器件和系统

由于传统的可植入光纤需要于外部的光学、电学元件互连来满足对于功率以及信号传输的需要,因此整个系统不可避免地具有有线、大尺寸的特点。另外,先进光学神经结构接口也可以基于上述设计和加工策略,由薄膜、微米尺度的光电器件(包括探测器、传感器、LED灯以及激光器)制备。这些封装的、超微化的器件可以被植入到组织中用于直接生物集成,具有多点记录/刺激、无线操作和多模传感/调制的作用。在这种方法中,通过将细胞大小的InGaN蓝色微LEDs与通过一个外部的柔性印制电路驱动的超薄柔性探针结合,可以形成可植入的光电极。通过极小的创口,这种微型LED探针可以被深入植入到具有自由行为意识的动物大脑内,从而能够使沟视紫红质-2表达神经元并且控制神经元活动。另外,卫星神经电极、光电探测器、温度传感器和LED层集成在一个可注射针头上,打开用于实施检测神经活动和生物传感的方式。另一个突破是微型发光二极管与微流体通道的集成,它可以同时进行神经反馈和药物传递。相对于将微型LED转移到柔性探针上,我们选择使用可植入式光电极,这种电极利用InGaN蓝光LED在硅晶片上单片生长和制造,随后图形化和成形以形成之谜的微LED和微电极阵列,具有高的可扩展性和时空分辨率,并且其加工工艺与CMOS器件更容易兼容。为了观察和理解大脑深层的神经元活动,用于荧光检测和成像的调制工具已经被研制出来。常规的荧光成像方法包括共聚焦显微镜和多光子显微镜,但是在大脑内的醉倒穿透深度只有几毫米。而通过植入玻璃棒透镜进入大脑正可以解决此问题。为了减小创伤,我们将定制的CMOS成像传感器和微型LED结合到柔性薄片上,以便将其植入到组织中以获得高分辨率的深脑荧光成像。与成像传感器相邻的微型LED作为光源用来激活绿色荧光蛋白表达细胞,同时成像传感器用来捕获和处理荧光信号。这种可知如的成像平台为先进神经活动成像以及其他深部组织中的生物信号检测提供了无穷的机会。

 

4.2可穿戴设备的集成及供能

 

可穿戴电子设备因其柔性、可拉伸性、便携性等特点,在过去十年中得到蓬勃发展,已经广泛应用于人类生活的各个方面,在个人健康实时监测、运动健身辅助、便携移动通讯、贴敷式安全监测等方面扮演着重要角色。可穿戴电子器件未来发展的一个极具吸引力的应用前景是实现单片全集成低功耗可穿戴电子微系统。然而,这一目标的实现还面临着诸多关键技术瓶颈和难点,其中最为突出的核心点在于探索实现持续可靠且可穿戴的有效供能方式。随着近年来柔性能量采集与存储技术的快速发展,高性能的微型能量器件也成为研究的热点领域,本届峰会上,针对高性能能量采集技术、稳定持久能量存储技术等方向也获得了青年科学家们的普遍关注。而为了更好的与可穿戴设备相结合,研究人员也将研究重点放在了以下几个方面,包括各种能量转化机制下的高效能量采集技术、集成化的能量采集与存储单元相结合的加工技术以及新特性新应用的进一步探索等。

张晓升教授做了题为“面向单片全集成自驱动穿戴式微系统的微能源采集技术”的学术报告,就微纳复合制造、新型微能源采集、自供能柔性微系统等领域进行了全面的介绍,分析了当前学科发展的现状及趋势[3]。他介绍了可穿戴式电子产品显著的灵活性和生物相容性以及超低功耗等特点,讲解了可穿戴式电子产品在传感网络、生物医学诊断、人工皮肤等方面的典型应用。随后,张晓升教授就可穿戴式电子产品所面临的“缺乏可持续的电源”的挑战,提出了基于摩擦纳米发电机的单片全集成柔性自供能微系统的构想。他对一种简单、高效、大规模生产的硅基微纳米复合结构的制备技术做了简要介绍,并将其优化,扩展到通用的柔性材料,并应用到能量收集领域实现摩擦纳米发电机,将环境能源转换成显著的电力输出,基于这项技术易于集成的优点,可开发出新的自供电可穿戴电子产品[4]

 

5基于纳米摩擦发电机的单片全集成自驱动柔性微系统展望

 

从纳米摩擦发电机工作机理的演进,先进摩擦功能材料的发展,基于TENG的主动式感知传感,基于TENG驱动的微执行器,以及复合集成能量单元等多个角度,张晓升教授总结归纳了当前TENG面向柔性自供能微系统领域的最新研究进展,进而探讨了功能+供能一体化的自驱动柔性微系统的可行性。

 

5学生海报展示

 

5.1新型混合电位型NO2气体传感器

 

随着物联网的逐步发展,日常生活中传感器的需求和应用场景越来越多,而传感器所必备的除了自身性能的优越性,即对所传感信息的敏感度,其次还需具有对其他传感信息的不敏感性,即具有选择性传感的特性。在生化领域,气体传感器是最常见的传感器之一[5,6],一般都是通过一定的化学反应产生便于检测的生成物从而坚定某种气体。又因为器件尺寸和化学反应的限制,往往生成物较少并且可重复性较差。因而现有气体传感器更加注重性能提升和可重复性的使用。