微全分析系统中的MEMS技术

　　1　引　言

　　基于微电子机械系统(MicroelectromechanicalSystem, MEMS)技术研究发展起来的微全分析系统(Micro Total Analysis System,μTAS)是近十年迅速发展起来的一种崭新的微生化分析系统。国外有人也称这种微系统为实验室芯片(Lab on a Chip)或微流控芯片(Microfluidic Chip)等。这种微芯片大小在厘米量级,采用MEMS技术在硅片、玻璃或塑料材料上制造出微驱动泵、微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量、扩 增器、反应器、分离器以及检测器等元器件并集成而成多功能芯片,实现微升、纳升级样品的进样、稀释、加试剂、混合、扩增、反应、分离、检测和后处理等分析 全过程,从而把传统的一个分析实验室功能微缩到一个小芯片上。显然MEMS技术所

　　具有的高精度、多功能集成、小型低功耗、坚固耐用和批量制造等特点得到充分的发挥。使这种微全分析系统具有微型化、集成化和智能化的特点,因而 分析速度快,可以提高2~3个数量级;需要样品少,可以降低到几微升,甚至纳升、皮升级;系统外部连接最少,可以自启动、自治、自闭;污染少,实行一次性 使用;可以实时、原位、连续检测,并可用于无法接近的微环境下;可实现批量制造、降低成本等。这样的分析系统将为生物、化学分析系统带来一场重大的革新。

　　回顾μTAS发展过程可以看出MEMS技术的发展是μTAS发展的基础,而μTAS的发展又把MEMS技术推向新阶段。早在1959年就提出微机械技术,1962年研制出硅微型压力传感器,随后多种微传感

　　器不断涌现,到1987年研制出第一只微型硅马达,微行器开始迅速发展,MEMS技术进入全面发展阶段。1990年Manz[1]等人才首先提 出微全分析系统(μTAS)的概念,经过数年的发展,1994年在荷兰En-schede召开了第一届国际μTAS学术会议,接着1996年在Basel 召开第二届,1998年在Banff召开第三届,2000年又在Enschede召开了第四届国际μTAS学术会议,会上还决定2001年在美国召开第五 届μTAS国际学术会议。μTAS的发展加速了,目前正是μTAS研发的高潮。

　　本文将重点介绍MEMS技术及其在μTAS中的应用以及我们在研究μTAS中的一些进展。

　　2　MEMS制造技术与BioMEMS

　　MEMS技术是在微电子器件制造所采用的平面工艺技术、也称集成电路(IC)工艺或表面微机械工艺的基础上,进一步融入体微机械加工技术,并把 两者结合起来的微制造技术;它包括了常规平面工艺中的光刻、氧化、扩散、CVD生长、镀膜、压焊等,又增加了三维体加工工艺,如:双面光刻、各向异性和各 向同性化学腐蚀、等离子或离子束深刻蚀、LIGA技术、硅-硅键合、硅-玻璃键合等等形成完整的MEMS制造技术。如图1所示为:MEMS技术的主要工 艺。