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]。

图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。

图6混合电位型NO2传感器示意图

在这样的基础上，来自清华大学的Tianhong Cui教授课题组介绍了题为“采用低能离子束刻蚀技术处理混合电位型NO2传感器的高性能三相边界”的工作。如图所示，该篇工作首次采用低能离子刻蚀YSE衬底，通过调节刻蚀角度，YSE衬底可以形成形貌各异的表面，传感的表面就是通过TPB自组装形成的具有一定凹凸结构的复杂表面，最后在表面积淀NiO纳米颗粒，来提供反应物。通过刻蚀得到的形态复杂的表面可以增大接触面积，从而提高反应速率，相比于未经低能离子处理的表面，复杂的表面结构使得性能是其1.9倍。传感反应机理方程如下：

该篇工作对刻蚀角度进行了控制，分别是未经处理和从10度和40度角进行低能离子刻蚀，通过实验验证可得，在其他条件相同时，处理角度越大，表面形态越复杂，则接触面积越大，反应所产生的电压越大。与此同时，不难想到的是输出电压和NO^2的气体浓度也呈现正相关的关系，并且其输出从实验也可以看出具有一定的稳定性。而与此同时，用于检测的该反应对诸如的气体也不敏感，因而该器件有着很好的气体选择性。

5.2基于摩擦电效应的仿指纹结构的滑动传感器

人体皮肤是一种显着的器官，能够覆盖全身，具有多种刺激检测能力，如压力，剪切力和温度。受此启发，大量可拉伸电子设备在可穿戴电子设备和智能机器人等许多领域引发了重大技术进步^[7]。

指纹由于其精致的结构而在人体中具有最高的灵敏度，在电子皮肤领域引起了很多关注，其中研究人员旨在提高压力传感和滑动检测等可拉伸传感器的性能。

一种新的传感机制 - 摩擦纳米发电机（TENG），它依赖于摩擦电效应和静电感应效应，近年来在能量收集和自功率传感方面取得了很大进展，已经提出了四种不同的工作机构，包括接触分离模式，滑动模式，单摩擦表面模式和独立模式，以确保TENG几乎可以在任何条件下平稳运行^[8]。此外，由于其结构简单，制造工艺成本低，信号收集容易，TENG作为有源传感器应用于大量领域。

图7(a) 人类指纹结构示意图；(b) 螺旋四电极器件示意图

将指纹结构和TENG相结合，北京大学的Haixia Zhang课题组介绍了题为“指纹启发的摩擦电滑动传感器”的工作。如图所示，通过甲苯将PDMS和CNT进行混合可以制得兼具PDMS可拉伸性能和CNT导电性的CNT-PDMS混合物，再倒入模具中，可以制得四个螺旋和交替电极组成的新型滑动传感器。基于摩擦电和静电感应效应，当外部物体穿过表面时，四个电极一个接一个地产生电压信号。在对四个电极进行编号之后，通过鉴别输出信号的输出顺序则可以区分滑动的方向。此外，不仅如此，由于可以得到输出电压的时间关系图，还可以通过计算信号谷峰的数量即经过物体的时间，和相应的时间间隔来检测滑动物体的位移和速度。将其覆盖在机器人手上，就可以检测不规则表面上的物体滑动信息。

5.3用于采集人体机械能的线性独立式驻极体发电机

随着智能可穿戴设备的市场需求进一步扩大，设备自身能源的供给成为我们不得不面对的一个问题。对于能源供给，一方面可以使用传统电池，另一方面也可以合理收集利用设备使用场景下所产生的能量对设备进行供电。但随着日益发展的微电子系统，前者的缺点愈发明显，频繁地为电池充电越发的不现实。因而近年来，诸如太阳能采集、机械能采集、射频能量采集等能量采集技术应运而生，被视作替代传统电池为微型电子器件供能的潜在方案。其中，采集人体动能成为众多能量来源中的一种。一方面其旨在收集人体动能，对为智能可穿戴设备供能而言，有着极大的便利性，其次，通过新奇的结构设计和有针对性的材料选择，发电机可以拥有较高的短路电流、开路电压和功率输出，来保证充足的能源供给^[9]。

在这一方面，来自清华大学的Xiongying Ye教授课题组介绍了题为“用于收集人体动能的线性独立式驻极体发电机”的工作。如图所示，整体可视为双层结构，上层为PCB衬底和铜的疏齿状电极所构成的转子，下层为PMMA衬底和PTFE驻极体以及小球所构成的定子，其中小球用于支撑上层结构，使铜电极与驻极体相隔离，在铜电极和驻极体相对的时候，铜电极上产生感应电荷。在人体运动过程中，器件位置倾斜，驻极体与铜电极的相对位置改变，在相对铜电极上产生感应电荷，接到外接负载就可以产生相对应的电流和电压，用于给智能可穿戴设备供能。该器件性能优异，在外在加速度设定为2.4m/s^(2 )，驻极体表面电荷密度为0.027mC/m^(2 )，期间倾斜角度为30度时，测得的最大输出电压为370V，平均输出功率为18.34μW，并且测得的数据和计算所得到的数据波形相一致。此外，课题组还验证了外接负载电阻对输出电流电压的影响，测得的数据和计算所得的波形也相一致。最后课题组研究了倾斜角度对输出的影响，发现随着倾斜角度的增加，功率有所提高，这主要是因为随着角度的增加，转子移动的速度有所增加，从而铜电极上产生感应电荷的速率加快，因此输出功率增加。这样的线性独立式驻极体发电机成本较低，能源洁净可持续，佩戴在手腕或者手臂上可用于收集人体动能，对智能可穿戴设备实现实时的能量供给。

图8(a) 驻极体发电机示意图；(b) 驻极体发电机的截面图；(c) 支撑结构示意图；(d) 驻极体发电机实物图。

6总结

微系统与纳米工程峰会是国际微纳米技术领域的高水平系列学术会议，而MINE 2018则是本年度微纳米技术领域的一次盛会，它的成功举办标志着微纳米科技已经成为了改变人们生活和思维方式的重要技术之一。它促进了最新研究成果的共享，推动了跨领域学科交叉与知识沟通，带动了微系统与纳米工程领域的快速发展。通过此次会议，我们可以将发展趋势归纳为以下四点：(1)新型微纳米加工工艺及新封装技术使得系统的可靠性与稳定性大幅提升；(2)光学、电学等物理研究与医疗结合具有广泛的应用前景；(3)柔性可穿戴设备的可靠性与稳定性随着材料、加工方式的创新和改进而不断提升；(4)微纳米器件的集成包括与集成电路的集成、微纳米器件系统化和工程化，使得其与产业界的联系更加紧密。

MINE 2018会议以Microsystems & Nanoengineering国际期刊为平台，增强国际交流和合作，引进国际先进技术讲座，加速我国微纳系统发展进程；同时特邀一流科学家做主题报告讲座，培养中青年科技工作者和研究生。本次会议为参会人员学习和了解微纳系统技术最新成果提供了非常好的机会，同时也希望搭建一个与国际顶级专家进行学术交流和合作的良好平台^[10]。据悉，下一届MINE峰会将于2019年7月7日至10日在上海举办，届时必将吸引更多相关领域的一流专家学者共同参与，让我们共同期待微机电领域蓬勃发展，为人类社会发展开启的崭新篇章。

参考文献:

[1] P. N. Prasad, Introduction to Biophotonics, Wiley­Interscience, Hoboken, NJ 2003.

[2]Xu H, Yin L, Liu C, et al. Recent Advances in Biointegrated Optoelectronic Devices[J]. Advanced Materials, 2018: 1800156.

[3]Zhang X S, Han M, Kim B, et al. All-in-One Self-Powered Flexible Microsystems Based on Triboelectric Nanogenerators[J]. Nano Energy, 2018.

[4]Zhang X S, Han M D, Wang R X, et al. Frequency-multiplication high-output triboelectric nanogenerator for sustainably powering biomedical microsystems[J]. Nano letters, 2013, 13(3): 1168-1172.

[5]Bott B, Jones T A. A highly sensitive NO2 sensor based on electrical conductivity changes in phthalocyanine films[J]. Sensors and Actuators, 1984, 5(1): 43-53.

[6]Inoue T, Ohtsuka K, Yoshida Y, et al. Metal oxide semiconductor NO2 sensor[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 1995, 25(1-3): 388-391.

[7]Lipomi D J, Vosgueritchian M, Tee B C K, et al. Skin-like pressure and strain sensors based on transparent elastic films of carbon nanotubes[J]. Nature nanotechnology, 2011, 6(12): 788.

[8]Chen H, Song Z, Song Y, et al. Fingerprint-inspired triboelectrific sliding sensor[C]//Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2018 IEEE. IEEE, 2018: 878-881.

[9]Bai P, Zhu G, Lin Z H, et al. Integrated multilayered triboelectric nanogenerator for harvesting biomechanical energy from human motions[J]. ACS nano, 2013, 7(4): 3713-3719.

[10]全球华人微米纳米技术合作网络(CINN)：Http://www.CINN.cc.