生物医学 MEMS 设备的前景和趋势

微机电系统（MEMS）和纳米机电系统（NEMS）在生物医学领域的应用正推动医疗技术的革新。从可穿戴健康监测设备到植入式诊断工具，MEMS 技术通过微型化、高精度和集成化特性，为疾病诊断、治疗和健康管理提供了创新解决方案。本文系统梳理了生物医学 MEMS 的材料进展、制造工艺、应用场景及未来挑战，为该领域研究提供全面参考。

自 20 世纪 40 年代晶体管问世以来，利用微纳尺度的技术快速发展。硅基底在集成电路微加工中的普及为微机电系统（MEMS）奠定基础。MEMS 器件是将电气与机械组件集成于单一设备的装置，特征尺寸范围 1 毫米至 100 纳米，尺寸在 100 纳米至 1 纳米间的设备称为纳米机电系统（NEMS）。尽管许多设备已达纳米尺度，为简化讨论仍统称 MEMS。随着医疗设备精度与小型化技术进步，MEMS 成为患者监测、治疗和诊断的重要组成部分，涉及多种材料与制造方法的应用。

图1-宏观、微观和纳米级器件的示例：（a） 用于纳米开关应用的碳纳米管;（b） 六齿轮链条;（c） 血压监测仪。

MEMS 器件材料选择是生物医学应用的研究热点，需解决生物相容性和耐用性挑战，目前主要采用硅、聚合物、金属、压电材料及二维材料。常见器件包括传感器、执行器、微流体、射频、能量收集器等，每种应用的独特挑战与解决方案将在后文探讨。

MEMS 制造工艺因应用需求而异，增材制造、表面微加工和体微加工等为常用方法，将在后续详细讨论。本综述旨在为生物医学 MEMS 领域的初学者与资深人士提供路线图，通过识别研究空白与机会推动该领域持续发展。

NEMS 和 MEMS 是应用于广泛领域的创新型设备，例如传感器、执行器、医疗设备和通信系统。这些设备的具体类别、材料、分类、组件以及控制其功能的运行原理，决定了每个设备的性能水平。图 2 展示了 MEMS 设备制造中常见材料的概述。这些材料的独特特性和优势会根据 MEMS 设备具体应用场景的不同而被充分利用。

图2-常见的 MEMS 材料

• 硅基材料
  

单晶硅（SCS）因机械性能优异和 CMOS 工艺兼容性，成为 MEMS 结构件的首选材料；碳化硅（SiC）则因其化学惰性和高温稳定性，适用于恶劣环境下的医疗设备。

• 聚合物材料
  

聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚酰亚胺（PI）因生物相容性和柔韧性，广泛用于可穿戴设备和微流控芯片；SU-8 光刻胶则作为结构材料用于高精度微加工。

图3-基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的电磁微泵与阀门系统示意图，该系统集成了平面微线圈和磁性隔膜。

• 金属与压电材料
  

铝、镍和金等具有优异电导率和机械性能的金属用于电极和导电结构；锆钛酸铅（PZT）、氮化铝 （AlN）、石英和氧化锌（ZnO）等压电材料可将机械应力转化为电能，被广泛用于 MEMS 传感器、能量采集器、加速度计、超声波换能器和执行器。

• 二维材料
  

石墨烯、二硫化钼（MoS₂）等二维材料因优异的电学、力学及热学性能成为研究热点，其中石墨烯凭借高力学强度与导电性在 MEMS 领域展现潜力，被视为下一代传感器与电子设备的理想材料。

微机电系统（MEMS）根据其功能应用进行分类。图4展示了主要类别，包括传感器、执行器、射频组件、光学系统和微流体系统。以下各节将对每种类别进行简要说明，重点强调其在生物力学和生物医学工程等领域的应用价值。

图4-MEMS 器件类别

• 传感器和执行器

MEMS 传感器广泛用于消费电子、汽车、医疗等领域，包括生物传感器、陀螺仪、加速度计等。因体积小、精度高、功耗低，在智能手机和汽车系统中不可或缺，5G 技术推动其在移动设备信息采集中的应用。

MEMS执行器通过能量转化驱动微观运动，按驱动原理分为热驱动、压电驱动、静电驱动等。例如，压电执行器用于能量收集和微流体，静电执行器用于光学微镜；MEMS 水听器等声学传感器因高灵敏度在水下和生物医学中应用渐广。

图5-压电蜂窝 MEMS 振膜

• 微流控器件

微流体技术聚焦微尺度流体操控，基于 MEMS 的实验室芯片（LOC）集成通道、阀门和微泵，用于化学 / 生物研究及床边诊断。

流体驱动 MEMS 设备（如微泵、阀门）采用 PDMS、硅等材料，精准调控微量流体，应用于药物输送、环境监测，典型如利用湍流混合的磁性微流控装置。

图6-基于柱状结构的主动微流控混合器示意图（左）。聚合物柱状结构在磁性驱动膜的作用下发生变形，从而诱导旋转流动并增强流体混合（右）

• 射频和电磁设备

射频（RF）MEMS 器件在高频通信中具尺寸小、功耗低、信号完整性强的优势，用于蜂窝手机、射频开关等。

驱动机制包括静电、压电、电磁等，电磁驱动器件利用钴、镍等磁性材料，应用于变压器、MEMS 麦克风；纳米磁性材料及磁电（ME）技术推动高频 NEMS 和物联网发展。

• 能量收集器和热拉伸装置

MEMS 能量采集器从温度梯度、机械振动中转化电能，利用热电 / 压电材料为偏远地区低功耗设备供电，如压电悬臂式能量采集器。

热拉伸装置基于材料热胀冷缩原理，硅、氮化硅及铝、镍等合金用于热致动器和光学微镜（如 DMD），通过温度变化实现大位移。

• 光器件

MEMS 技术（表面微加工）推动微型光学器件制造，硅氮化物、二氧化硅用于光波导、光开关等。

光子 MEMS 涵盖热光、电光、声光开关等技术，不同原理性能各异，技术整合或成提升光开关性能的趋势。

自微机电系统（MEMS）诞生以来，其组件的制造工艺经历了不断的发展与进步。目前存在多种制造方法，其中最常见的包括体微加工、表面微加工和LIGA技术。这些技术对于将薄膜或晶圆材料加工成高质量、高精度且适应性强的MEMS器件至关重要，例如被动元件、微执行器和微传感器。

• 体微加工

通过刻蚀硅基底形成三维结构，适用于加速度计和微流体通道制造，典型工艺包括湿法刻蚀（KOH/TMAH）和深反应离子刻蚀（DRIE）。

• 表面微加工

利用牺牲层技术在基底表面构建薄膜结构，常用于压力传感器和微镜制造，工艺成本低且适合批量生产。

• LIGA 技术

结合深度 X 射线光刻、电铸和模塑，可制造高纵横比的金属和聚合物结构，适用于精密齿轮和微涡轮。

• 3D 打印与增材制造

选择性激光烧结（SLS）和双光子聚合（2PP）技术实现复杂 3D 结构的快速原型制造，最小特征尺寸可达 0.28μm。

• 混合工艺

金属 - 硅复合加工技术结合两者优势，提升设备强度和功能性。

传感器、执行器、光开关、谐振器、化学和热传感器、电驱动设备、医疗设备、微流体设备和光电子设备等均属于微机电系统（MEMS）的广义范畴。在生物医学应用中，许多这类设备在使用时常被集成于人体内或周围。每个设备都有其独特的功能，以下各节将讨论MEMS在生物医学领域的一些常见应用。

微机电系统（MEMS）生物传感器在药物研究、环境监测、食品安全和医疗保健等多个行业中广泛应用于床边检测。这类传感器对开发集成化、可扩展且可持续的生物 / 化学传感系统至关重要，其在微观尺度运行时具备高灵敏度、准确性和大规模生产能力，同时兼具轻便、节能及适应严苛环境等特点，被用于健身追踪、药物监测、可穿戴技术和医疗诊断等领域，可检测环境和食物中的毒素、识别疾病并监测生物系统信号。图 13 展示的单材料 MEMS 系统能记录单个神经元活动并检测细胞外神经递质。

图13-(A）使用SMM分析单元对生物样品进行纳米级电磁分析，（B）将SMM微探针与生物传感系统集成以进行实时生物检测

• 压力传感器

MEMS 压力传感器在医疗领域用于特定环境压力监测，按工作原理可分为差压与分压、高压与低压，以及基于压电、压阻和电容元件的类型。电容式和压阻式传感器性能突出，如基于半导体的 MEMS 压力变送器可精确测量血压并评估腕部桡动脉血流，商业化压阻式传感器能实现超 2 mmHg 的动脉血压测量精度。电容式传感器因高灵敏度、低功耗等优势适用于工业、医疗等多领域，在微创手术、靶向治疗中表现优异，其采用硅膜与玻璃基底金电极的结构，长期稳定性和温度可靠性优于压阻式，还可助力开发环境监测与疾病检测的传感系统。但 MEMS 电容式压力传感器面临寄生电容、湿度敏感、封装应力等挑战，生物医学领域整体需解决温度校正、降噪、机械疲劳等问题。

• 新型应用

新型 MEMS 技术需克服制造工艺复杂、材料选择、环境敏感等挑战，例如通过粗糙表面聚偏氟乙烯纳米纤维提升病毒敏感性，小型光纤传感器在约克夏猪模型中展现动脉压力评估潜力，MEMS 水动力生物传感器在生物系统移动性应用中具发展空间。从 1906 年 Cremer 发现酸含量与电位关联，到 1950 年首个实用生物传感器诞生，再到 1990 年 MEMS 硅超声原型问世，MEMS 生物传感器在过去百年中实现了长足发展。图 14 提供了这一发现的全面路线图。

图14-MEMS 生物传感器历史

MEMS 可穿戴设备具有体积小、功耗低、精确实时健康和活动监测、高灵敏度、适应性、易于集成、经济实惠、方便和耐用等特点，因此在健身和医疗保健行业都至关重要。最近，为了满足对经济实惠、用户友好的可穿戴技术日益增长的需求，人们开发了基于 MEMS 元件的柔性腕带，用于持续的心血管健康监测。制造技术和材料科学的进步显著增加了传感器在健康信息技术中的应用，尽管目前仅有少量用于实时心血管监测的传感器设备通过了临床验证。通过利用多种传感器进行非侵入式实时生理指标采集，MEMS技术也被集成到时尚设备中，以提升消费者的临床诊断体验。

MEMS可穿戴设备面临的挑战包括：电源管理、进一步的微型化和集成、用户舒适度与人体工学设计、耐用性、减少信号干扰、保持校准与精度、数据隐私与安全、制造一致性、监管合规性，以及成本限制等。要解决这些问题，必须不断创新并进一步了解用户需求和标准。

MEMS 传感器集成机械与电气组件，可在微观尺度实现能量形式转换，涵盖压力传感器、加速度计等类型，为各领域提供精准测量。生物传感器作为生物医学关键组件，能将生物信号转换为可观测输出，与生物受体和微电子技术结合后应用价值显著。

微悬臂可用作传感器与换能器，基于 COMSOL 仿真的 MEMS 生物传感器在检测抗体 - 抗原结合（如 HBV、H1N1 诊断）中表现优异，植入式实时分子检测器在疾病爆发期具应用潜力。研究人员通过 COMSOL 优化微悬臂与电渗压传感器集成设计，以实现血糖精准测量。当前 MEMS 传感器在成本、可扩展性、功耗等方面存在挑战，需持续研发改进。

MEMS 微阀在化学加工、生物医学工程和芯片实验室技术中不可或缺，因其能精准操控传统设备无法处理的微小流体体积。玻璃因光学透明、生物相容、机械刚度高及热稳定性强，成为微阀等微尺度器件的理想材料。例如，芯片实验室中机电弯曲器取代传统螺线管微阀调节气体流量；Cugno 通过对比生产技术优化光响应微阀设计，验证 CNT-PDMS 组合的光响应特性，提升精密系统中液体控制精度。

Richter 等开发的多级微泵通过串联三泵产生 82.1 kPa 负压，对需精确低压的微流体组件意义重大。微阀通过精准控制反应与试剂混合，提升化学制造安全性与效率。无阀微泵因处理生物材料更温和、堵塞风险低，且流体阻力小、易维护，更适用于生物样本。磁性聚合物复合薄膜是制造微泵、阀门等 MEMS 组件的关键，近年在微阀、药物输送系统及磁性分离等领域推动技术进展。

MEMS 技术为多领域提供精准且适应性强的解决方案，其通过微纳加工整合电子设备、传感器与机械部件，推动设备向更小、更快、更高效发展，尤其在光学（如传感器、光纤开关）和射频系统中优势显著。研究显示，MEMS 致动器可通过产生射流减少腔体振荡，流控制技术能优化流体状态；片上微型注射泵借助电共轭流体（ECF）和电动流体动力（EHD）流动，克服传统活塞技术的微型化难题。

静电执行器研究已实现 X、Y、Z 方向高位移控制，其设计灵感可源自含羞草瓣膜机制，衍生出能自主响应输入的微阀系统，提升流体控制精度与灵活性。在生物医学领域，MEMS 执行器与电路是植入物、手术器械等设备的核心，二者协同实现物理动作（如药物输送）与信号处理，推动脑机接口、智能植入物等前沿技术发展，提升医疗护理的精准性与个性化。尽管技术进步显著，可穿戴传感器仍需进一步临床测试验证。

• 生物相容性、安全性和耐用性

生物相容性材料在 MEMS 设备中需满足不损害活体组织的要求，以预防炎症、免疫反应等不良反应。其应用需平衡生物降解性与耐久性：长期数据采集设备需选用非降解材料，一次性设备则需谨慎选择生物降解材料，材料选择不当会影响传感器精度及人体健康。

MEMS 常用材料分为硅基、金属和聚合物三类。硅、二氧化硅、金、氮化硅等具生物相容性，其中氮化硅、金等可防生物污染。SU-8TM 虽具生物相容性，但机械分层问题限制其应用。单晶硅是目前 MEMS 制造最常用材料。

基于水凝胶的致动器在传感器、微流体设备等领域潜力显著，响应时间随尺寸减小而改善，且因人体水环境特性，在生物医学中应用限制较小。此外，MEMS 器件的表面形貌、粗糙度及化学性质影响细胞粘附，进而影响设备耐用性，例如涂层材料和厚度会通过改变表面形貌影响粘附力。图 16 说明了涂层材料和厚度等因素对物体形貌的影响，这些因素在物体表面受到的粘附力中起着很大作用。更好的附着力有助于使设备更耐用、更具弹性，尤其是在人体内的应用中。

图16-三维地形图：（a）未涂覆的硅衬底；（b）120 nm银涂层厚度；（c）500 nm银涂层厚度；（d）120 nm金涂层厚度； (e) 500 nm 金涂层厚度；(f) 120 nm 银-金复合涂层厚度；以及 (g) 5000 nm 银-金复合涂层厚度。

医疗领域引入 MEMS 技术需遵守法规，比如美国 FDA 对医疗设备的分类及审批流程繁琐，可能成为新型生物医学 MEMS 技术发展的障碍。

图17-根据美国FDA的医疗器械类别

• 能源管理

技术领先是商业成功的关键，生物医学 MEMS 设备仍面临供电挑战，纳米级执行器因电池无法纳米化而需新型供能方案。供电装置需具备生物相容性、高效性和可靠性，原位能量收集器通过环境刺激转化电能为潜在方案。摩擦纳米发电机依靠表面摩擦发电，近年成功应用于 MEMS 振动传感器和加速度计，但在微纳米级生物医学场景中仍较少实施。

• 制造和可扩展性

MEMS 制造与封装面临多重挑战：后处理因耗时和设备需求增加生产成本，单片制造与 CMOS 结合时该问题更为突出，而 GaN 和二维材料的器件共集成技术提供了替代方案。封装环节难度更大，需在保护设备免受环境影响的同时实现可控环境交互，且无通用解决方案。数据显示，封装成本可占设备总制造成本的 90%，例如微米级葡萄糖监测传感器的封装（含外壳和导线）达厘米级，尺度差异达 10⁴倍，成为制约 MEMS 规模化应用的关键瓶颈。

• 增材制造

3D 打印作为增材制造技术，通过分层构建原理与表面微加工等传统 MEMS 技术相通，可实现微小 3D 结构制造。喷墨打印通过扩散胶体液滴、FDM 熔化沉积聚合物，其特征尺寸受打印方法、材料等因素影响。

立体光刻技术（如双光子聚合 2PP、连续液体界面生产 CLIP）通过激光交联聚合物溶液，实现高精度三维微制造，适用于复杂微流体设备。CLIP 突破逐层限制，可连续生成高氧气渗透性微结构，2PP 较投影微立体光刻更适合制作复杂非对称电热微执行器。

3D 打印在 MEMS 中优势显著：快速设计原型、构建复杂 3D 结构，提升微流体、微电子封装等领域的定制化与精度，助力人工器官微流体设备批量生产及生物陶瓷支架传感监测。但存在热收缩问题，且最小特征尺寸受技术限制（约 85 nm）。

• 标准化

在新型设备开发中，设计与制造需协同推进：忽视制造可行性会导致设计无法落地，仅关注工艺则限制创新空间。MEMS 器件制造亟待标准化以实现低成本规模化量产，这一需求在研究与商业场景中均具重要性。此外，标准化测试、表征及计量方法是新型 MEMS 研发的基础，研究机构指出，建立知识基线并加速传播，可降低领域准入门槛，推动技术迭代。

• AI 集成个性化医疗保健

MEMS 设备通过实时收集个人数据并监测患者治疗反应，成为推动个性化医疗的核心技术。其与人工智能（AI）及机器学习（ML）结合，可基于症状数据实现疾病早期诊断甚至预测，确诊后还能通过实时数据分析优化治疗方案。未来，生物医学 MEMS 传感器与药物输送系统有望植入人体，按需激活实现精准医疗。

• 原位能量收集和机器人技术

个性化 AI 集成医疗保健的基础技术，在于为人体内微纳米设备供电的能力。原位能量收集技术通过从环境中获取能量为传感器 / 执行器供电，目前探索的压电、热电和摩擦电器件各具机制：压电器件利用材料机械应变生电，热电器件基于温度变化感应电流，摩擦电器件则通过材料摩擦收集静电。已有团队成功开发基于摩擦电的自供电设备，这类技术进步有望推动微型机器人发展，使其能通过数据收集或主动移动辅助人体医疗。

• 芯片实验室

片上实验室（LOC）技术通过在微米级芯片上集成多项实验室功能，显著推动化学、生物及医学领域发展。该技术可实现化学反应与医学诊断，仅需微量样本（如一滴血液）即可完成传统需数毫升体液的检测。图19总结了生物医学 MEMS 领域当前挑战及潜在解决方案。

图19-生物医学 MEMS 的当前挑战和潜在解决方案。（a） 自供电摩擦电加速度计;（b） 基于 Pluronic 水凝胶的 MEMS 器件的大规模生产

本综述聚焦生物医学 MEMS 设备，其通过微纳尺度机械与电子元件集成，为医疗保健提供高性能紧凑解决方案。文中系统分析了 MEMS 技术发展的关键材料、分类及生产流程，详述微机电制造工艺及其在生物传感器、致动器、微流体等领域的应用。同时探讨材料兼容性、功率效率及微型化等局限，剖析当前技术挑战，并基于材料科学与制造方法提出提升设备集成度和功能性的潜在方案。研究旨在明确技术差距，推动生物医学 MEMS 技术创新，促进高效医疗设备发展，改善患者护理效果。