VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

МЭМС – микроэлектромеханические системы – это интегрированные системы с размерами от нескольких микрометров до миллиметров, которые объединяют в себе механические и электрические электронные компоненты. MEMS состоит из механических микроструктур, микродатчиков, микроактюаторов и микроэлектроники, объединенных на одном кремниевом чипе [1].

Число потребления МЭМС постоянно растет в связи с ростом рыночных потребностей. На сегодняшний день МЭМС-устройства применяются практически повсюду. Это могут быть миниатюрные детали (гидравлические и пневмоклапаны, струйные сопла принтера, пружины для подвески головки винчестера), микроинструменты (скальпели и пинцеты для работы с объектами микронных размеров), микромашины (моторы, насосы, турбины величиной с горошину), микророботы, микродатчики и исполнительные устройства, аналитические микролаборатории (на одном кристалле) и т. д.

Микроактюатор (составная часть МЭМС) рисунок 1 - это устройство, которое преобразовывает энергию в управляемое движение. Микроактюаторы имеют размеры от нескольких квадратных микрометров до одного квадратного сантиметра. Диапазон применения микроактюаторов чрезвычайно широк и различен, и он постоянно возрастает. Они используются в робототехнике, в управляющих устройствах, в космической области, в биомедицине, дозиметрии, в измерительных приборах, в технологии развлечения, автомобилестроении и в домашнем хозяйстве [2].

Рисунок 1- Микроактюатор в MEMS (изображение увеличено в 5000 раз)

Чипы МЭМС могут имитировать органы чувств, а так же использоваться как их протезы.

Первоначально для производства МЭМС были использованы технологии создания интегральных микросхем (нанесение молекулярных слоев материала на кристалл кремния, фотолитография, травление и др.). Впоследствии в МЭМС были реализованы технологии микрофлуидики и молекулярного узнавания, например, взаимодействие антиген-антитело, гибридизацию комплементарных цепей ДНК и др. Имплантируемые биоМЭМС предназначены для слежения за параметрами внутренней среды организма с помощью биосенсоров и могут дозированно высвобождать лекарственные вещества или гормоны, например, инсулин при повышении содержания глюкозы в крови. Имплантируемые биоМЭМС могут быть оснащены системой беспроводной связи с внешними устройствами. Разработаны МЭМС-содержащие устройства с интегрированной оптической системой (например, видео таблетка (video pill)), способные передавать изображения желудочно-кишечного тракта в реальном времени, делать биопсию ткани и высвобождать лекарственные вещества в ответ на радиосигнал. Область применения биоМЭМС – молекулярная диагностика и лечение заболеваний, биопротезирование, мониторинг окружающей среды, биозащита [4].

Классификация БиoМЭМС устройств:

1. Датчики:

• Давления (крови, позвоночника, мозга);

• Температуры;

• Глюкозы;

• ДНК факторов;

• Силы (мышц, органов, тонус тканей);

• Электротехнического импульса (нерва, мозга, сердца);

• Детекторы газа (кислород; углекислого газ);

• Расхода газа;

• Химических ионов.

2. Воздействующие приборы:

• Микро-насосы (кровообращения; доставки лекарств);

• Фильтры жидкостей;

• Разделители;

• ДНК наращивание/анализ.

На рисунке 2 представлены возможные применения МЭМС при исследовании организма человека [5].

Рисунок 2 – Применение МЭМС при исследовании организма человека

Компания Verimetra, США, разрабатывает миниатюрные датчики и микроактюатоы для хирургических инструментов. Хирурги постоянно стремятся к методам, которые минимально сказываются на здоровье человека. Главная цель – минимальное причинение травм пациенту при операции, период восстановления должен быть как можно короче. Датчики улучшают результаты операции, снижают ее риск, помогают управлять процессом операции, обеспечивая хирурга данными о работе хирургического инструмента, а также о плотности ткани, ее температуре и составе. Это позволяет лучшими методами подготавливать ткани к операции, а также быстро извлекать образцы ткани и жидкостей для исследования.

Разработчики МЭМС работают с медицинскими учреждениями, чтобы создавать новые изделия для хирургов. Такими изделиями являются датчики потока и скорости крови (рисунок 3), УЗ-датчики, которые встраиваются в наконечники сверхмалых катетеров.

Рисунок 3 – Датчик крови

Используется множество термисторов, которые расположены в наконечники катетера, микросистема может считывать распространение скорости крови по кровеносному сосуду. Это важно знать для определения частичной закупорки артерии[5].

Разрабатываются датчики для катетеров, которые используются в предродовых хирургических операциях на сердце еще не родившегося ребенка (операции на сердце плода, рисунки 4,5).

Рисунок 4 – Схема операции Рисунок 5 – Использование катетеров

Среди прижимных сенсоров наибольшее распространение получили распространение микроакселерометры, осуществляющие контроль за изменением положения тела пациента и возможными с этим связанными перегрузками. Подобного типа микродатчики используются в больничных кроватях, которые предназначены для больных, нуждающихся в наиболее внимательном уходе. Устройства измеряют внутренние перемещения в изменении количества тепла или энергии, вызванных ускорением тел при движении. Акселерометры реагируют на ускорение или силу, действующую на сенсорный элемент датчика. Они могут применяться для измерения силы, ускорения, вибрации, движения или перемещения, а также положения и угла наклона (рисунок 6). Изделие MXD2020GL используется в Man Down устройствах. Термин используется в случаях, когда человек находится без сознания или мертв. Устройства необходимы для людей, чья профессия связана с риском для жизни: пожарные, полицейские, шахтеры, военные и т.п. Прибор передает аварийный сигнал на базовую станцию, если человек не подает признаков жизни (не двигается).

Рисунок 6 – МЭМС акселерометр

Недавно были созданы кремниевые МЭМС-устройства, содержащие звуковой сенсор и микропроцессор, который раскладывает звуковые волны на Фурье-гармоники. Устройство имплантируется непосредственно в человеческое ухо, после чего полученные Фурье-компоненты напрямую передаются слуховому нерву, благодаря чему глухие люди обретают возможность слышать [6].

В Университете Юты (США) создан прибор, способный заменить кохлеарный имплантат по функциональности и при этом не требующий никаких микрофонов, закреплённых на голове пациента. Разработка улавливает звук не напрямую, а при помощи акселерометра, фиксирующего вибрации в костях среднего уха. Сенсор работает, превращая вибрации кости в электросигнал, несущий посредством электродов акустическую информацию в мозг человека. Рабочие характеристики прототипа: от 60 дБ при 500 Гц,35 дБ при 2 кГц и 57 дБ при 8 кГц. Размеры прототипа — 2,5×6,2 мм, вес — всего 25 мг. Дальнейшая миниатюризация остановится на 2×2 мм.

Датчик «КардиоМЭМС» контролирует состояние пациента более эффективно, чем компьютерная томография. Во время проверок пациенту не обязательно даже снимать одежду, врач просто водит электронной палочкой перед грудью пациента. Радиочастотные волны активируют «КардиоМЭМС», который проводит измерения давления и затем передает информацию на внешний приемник и монитор (рисунок 7).

Рисунок 7 - КардиоМЭМС

«HeartSensor» - беспроводный прибор, который измеряет внутрисердечное давление у больных с застойной сердечной недостаточностью. Подобно эндосенсорам, «HeartSensor» устанавливается через катетер. Характеристики с такого сенсора снимаются дистанционно, даже на больших расстояниях. «HeartSensor» позволяет врачам гораздо проще контролировать пациентов и подбирать лекарства. Датчик обнаруживает изменение прежде, чем проявляются любые внешние симптомы, и таким образом служит системой дальнего обнаружения [3].

Использование МЭМС технологий направлено на решение множества медицинских задач, включая исследование кровеносной системы в реальном времени, измерение сахара в крови, исследование сердца и кардиостимуляторов, а также стимулирование нервов и мышц. БиоМЭМС технологии востребованы по всему миру и должны развиваться как перспективное направление. Это откроет новые эпоху в медицине, которая приведет к научному прогрессу и разработке новых научных подходов, основанных на новых технологиях и знаниях.

Список использованной литературы

1. В. Я. Распопов – Микромеханические приборы, 2007. -400с. С 12.

2. Досовицкий Г. А. – МикроЭлектроМеханические системы, 2010. URL: http://www.nanometer.ru/2010/09/30/mems_218368.html

3. Рудченко А.В., Хоменко И.О., Ющенко Д.А. – Обзор применения микроэлектронных механических систем в медицине.

4. Ширинский В. П. - Биомедицинские микроэлектромеханические системы.

5. Яшин К. Д., Осипович В. С., Божко Т. Г. Разработка МЭМС // Нано- и микросистемная техника, №1, с. 31

6. Микроэлектромеханические системы // Азбука для всех //Нанотехнологии