微机电系统与生物芯片讲稿.ppt
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1、微机电系统与生物芯片第一页,讲稿共四十九页哦目 录oMEMS概念oMEMS技术特点oMEMS发展前景o生物芯片的起源与发展o生物芯片的种类o生物芯片的制备o生物芯片的发展前景第二页,讲稿共四十九页哦 MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统.MEMS概念非纯电路装置非纯电路装置第三页,讲稿共四十九页哦 一般意义上的系统集成芯片 广义上的系统集成芯片电、光、声、热、磁力等外界信号的采集各种传感器执行器、显示器等信息输入与 模/数传输信息处理信息输出与 数/模转换信息存储MEMS=广义上的SOC第四页,讲稿共四十九页哦机械机械部分部分
2、传感传感执行执行控制部分控制部分电子学电子学MEMS微电子学微电子学第五页,讲稿共四十九页哦MEMS技术的历史o微系统是从微传感器发展而来的,已有几次突破性的进展n70年代微机械压力传感器产品问世n80年代末研制出硅静电微马达n90年代喷墨打印头,硬盘读写头、硅加速度计和数字微镜器件等相继规模化生产充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应用前景第六页,讲稿共四十九页哦MEMS特点o微型化:MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。o以硅为主要材料,机械电器性能优良:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨。o批量生产:可同时制造成百上千个微型机电
3、装置或完整的MEMSo集成化:可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,o多学科交叉:涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。第七页,讲稿共四十九页哦MEMS系统优势o经济利益n1.大批量的并行制造过程;n2.系统级集成;n3.封装集成;n4.与IC工艺兼容。o技术利益n1.高精度;n2.重量轻,尺寸小;n3.高效能;第八页,讲稿共四十九页哦MEMS技术基础oMEMS的技术基础可以分为以下几个方面:n(1)设计与仿真技术;n(2)材料与加工技术n(3)封装与装配技术;n(4)测量与测试技术;n(
4、5)集成与系统技术等。第九页,讲稿共四十九页哦F微电子压力传感器利用了硅的三微结构与机械特性第十页,讲稿共四十九页哦聚合物薄膜硅压敏电阻器吸湿膨胀电阻变化微电子湿度传感器第十一页,讲稿共四十九页哦MEMS的分类o微执行器:微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等o微型构件:微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等o微机械光学器件:微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等第十二页,讲稿共四十九页哦硅微齿轮第十三页,讲稿共四十九页哦硅微转子第十四页,讲稿共四十九页哦硅微梁第十五页,
5、讲稿共四十九页哦硅微转动器第十六页,讲稿共四十九页哦硅微拖动器第十七页,讲稿共四十九页哦硅微琴第十八页,讲稿共四十九页哦已经制造出尖端直径为已经制造出尖端直径为5 5 m m的的可以夹起一个红细胞的微型可以夹起一个红细胞的微型镊子镊子可以用于医疗手术可以用于医疗手术硅微型镊子硅微型镊子第十九页,讲稿共四十九页哦MEMS的展望 目前,世界上几乎普遍认为MEMS及其相关技术是21世纪的关键技术之一,它的发展将对高新技术及产业产生不可估量的影响,可以预期,随着MEMS的进一步发展,世界上将会出现许多惊人的应用,比如大数据存储系统将能做到在一块芯片上存储太位 信息;手掌大小的光谱仪将使人们能方便快捷的
6、监视环境情况;可植入人体的微型传感器能实时监测人体的血糖水平,总之,MEMS将领导一次技术革命第二十页,讲稿共四十九页哦什么是生物芯片?(Biochips)生物芯片(生物芯片(biochipbiochip或或bioarraybioarray)是根据生物分子)是根据生物分子间特异相互作用的原理,将生化分析过程集成于间特异相互作用的原理,将生化分析过程集成于芯片表面,从而实现对芯片表面,从而实现对DNADNA、RNARNA、多肽、蛋白质、多肽、蛋白质以及其他生物成分的高通量快速检测以及其他生物成分的高通量快速检测生物芯片技术又称微陈列(生物芯片技术又称微陈列(microarraymicroarra
7、y)技术,)技术,含有大量生物信息的固相基质称为微阵列,又含有大量生物信息的固相基质称为微阵列,又称生物芯片。生物芯片在此类芯片的基础上又称生物芯片。生物芯片在此类芯片的基础上又发展出微流体芯片(发展出微流体芯片(microfluidics chipmicrofluidics chip),),亦称微电子芯片(亦称微电子芯片(microelectronic chipmicroelectronic chip),),也就是缩微实验室芯片也就是缩微实验室芯片。第二十一页,讲稿共四十九页哦生物芯片的起源 生物芯片技术的发展最初得益于 埃德温迈勒萨瑟恩(Edwin M ellor Southern)提出的
8、核酸杂 交理论,即标记的核酸分子能够 与被固化的与之互补配对的核酸 分子杂交。从这一角度而言,So uthern杂交可以被看作是生物芯 片的雏形。弗雷德里克桑格(Fred Sanger)和吉尔伯特(Walter Gilbert)发明了现在广泛使用的DNA测序方法,并由此在1980年获得了诺贝尔奖。另一个诺贝尔奖获得者卡里穆利斯(Kary Mullis)在1983年首先发明了PCR(聚合酶链式反应),以及后来在此基础上的一系列研究使得微量的DNA可以放大,并能用实验方法进行检测。第二十二页,讲稿共四十九页哦生物芯片的发展 生物芯片技术是随着人类基因组计划的实施而发展起来的,是由美国旧金山以南的一
9、个新兴生物公司Affymetrix(昂飞)首先发展起来的,并成为基因组计划中一种重要的技术手段。1991年,美国Stephen Fodor等首先提出了DNA芯片的概念,Stephen Fodor及其同事于90年代初发明了一种利用光刻技术在固相支持物上光导合成多肽的方法,并在此基础上于1993年设计了一种寡核苷酸生物芯片。第二十三页,讲稿共四十九页哦生物芯片的发展 1991年,美国Stanford大学的MSchena在研究植物转录因子时提出了将大量DNA探针集成在同体表面上米研究基因表达的方法,并在1995年用机械手在玻璃片上进行DNA点样,利用双荧光标一次检测了45个基因。1996年,MSch
10、ena与Stephen Fodor等合作,制造出世界上第一个商业化的生物芯片。在此之后,国际上掀起了一股生物芯片设计的热潮,出现了多种类型的生物芯片。生物芯片在产生的短短十几年时间内技术不断完善,它结合了寡核苷酸合成、固相合成、PCR、探针标记、分子杂交、大规模集成电路路制造、荧光显微探测、生物传感器及计算机控制和图像处理等多种技术,充分体现了生物技术与其他学科相结合的巨大潜力。第二十四页,讲稿共四十九页哦国外发展现状 生物芯片技术出现后立即引起国际上的广泛关注。美国政府和产业界在过去10年共投入近20亿美元用于以基因芯片为主的生物芯片技术的研究开发与产业化;几乎所有的跨国制药公司都投入巨资建
11、立生物芯技术平台,开展新药的超高通量筛选和对药物毒理学、药物基因组学等进行研究。美国继展人类基因组计划以后,于1998年正式启动生物芯片计划。美国几乎所有的大学研究机构,如斯坦福大学、麻省理工学院及Argonne Oakridge国家实验室,都参与了生物芯片的研究和开发。至今,美国已有多家生物芯片公司产品开始投放市场,纳斯达克(NAsDAQ)反应热烈。生物芯片技术已成为大学和研究机构进行科学研究时所使用的一项常规分子生物学技术。第二十五页,讲稿共四十九页哦国外发展现状 目前,世界范围内参与研制生物芯片的主要公司超过100多家。其中以开发基因片技术为主的公司有几十家,已有多家生物芯片公司上市。大
12、部分生物芯片公司分布在美国其次在欧洲。其中,美国Affymetrix(昂飞)公司是世界上最有影响的基因芯片开发制造商。第二十六页,讲稿共四十九页哦国内发展现状 我国生物芯片研究始于1997-1998年间,尽管起步较晚,但是技术和产业发展迅速,实现了从无到有的阶段性突破,并逐步发展壮大,生物芯片已经从技术研究和产品开发阶段走向技术应用和产品销售阶段,在表达谱芯片、重大疾病诊断芯片和生物芯片的相关设备研制上取得了较大成就。2008年我国生物芯片市场约为1亿美元,并正以20%以上的速度增长,预计至2020年生物芯片市场将达到9亿美元。第二十七页,讲稿共四十九页哦国内发展现状 从2000年开始,国家就
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