当前课程知识点：MEMS与微系统 > 第八章 微流体与芯片实验室 > 第1小节 概述 > 概述
好 各位同学大家好
今天我们来介绍下一章的内容
微流体与芯片实验室
那么这个概念的引出是和集成有关的
我们知道最早的计算机是采用真空管实现的
那么是1943年在美国实现的ENIAC
它占地达到了167个平方米
总重量达到30吨
超过了18000个真空管
但是它在耗电150千瓦的情况下
所达到的时钟频率只有100k赫兹
随后电子管和晶体管
特别是以晶体管为核心的集成电路技术
在遵循着摩尔定律高速发展了50年以后
今天我们实现的成果就像苹果i7作为代表
所展示的一样
例如苹果i7的A10处理器
包括了4核33亿个晶体管
在整个手机重量只有138克的同时
时钟频率达到了2.23个G赫兹
那么晶体管最大的贡献
就在于随着集成度的不断的提高
芯片的体积越来越小
功能越来越多
速度越来越快
但是功耗还在不断的降低
因此集成的发展
为我们整个社会从工业时代迈入到了
信息 计算甚至于未来的智能和感知的时代
那么同时我们也需要考虑另外一个问题
除了物理器件上的集成
那么在日常的生化分析领域
我们有没有可能集成呢
这幅图给大家看到的是一个典型的
生化分析实验室
那么它包括了大量的分析 处理和测试的仪器
那么它同时需要非常专业的人员消耗大量的
时间才能够完成一项看似非常简单的分析
由于生化在我们的环境中占了一半的体量
因此如果能够把生化像物理一样的集成
那么对我们来讲能够通过微型化来实现
自动化和低成本
从而进一步去实现一个简单
随时随地可用的生化分析系统
对我们来讲具有非常重要的意义
那么
如何去集成生化这就是我们今天要介绍的
一部分内容
生化的集成我们试图希望把
一个生化分析实验室
通过一个芯片的功能来代替
那么我们把这个芯片叫做芯片实验室
也就是Lab-on-a-chip
那么简称为LOC
它的一个基本概念是通过微加工的技术
在一个芯片上来实现生化分析所需要的
各种不同的功能
把这些功能组合到一起
完成对我们常见的化学 生物这样的试样
进行分析和处理
从而实现医学的检测
药物的开发
以及环境监测等等
如果能够实现一个片上的实验室
那么显然在微型化 自动化
高通量和低成本方面
都远远的超过我们现在的常规的分析实验室
因此
芯片实验室这个概念一经提出
近年来发展异常的迅速
那么很多人甚至认为这是继集成电路以后
又一项具有革命意义的科学技术
我们把芯片实验室大体可以分为两类
一类是点阵类型的芯片
一类是流体类型的芯片
点阵类型的芯片就是由一个芯片上的
很多凹槽或者是突点所构成的
它主要的作用是在每一个点上来实现
一些生物特异性的杂交反应
从而通过大量的并行反应来实现
一个高通量的生物筛选过程
那么流体的芯片主要是由芯片上一些流体管道
以及由管道所串联起来的不同功能模块
所构成的
它的主要目的是通过微流体的流动控制和反应
以及一些集成的检测功能来实现
对生物和化学试样的分析
在我们这节课中
我们主要介绍以流体为特征的流体芯片
那么与LOC
也就是芯片实验室相近的概念还有两个
一个是微全分析系统
另一个是微流体
那么芯片实验室我们一般是指它包括
或者能够实现一项或者几项实验室的分析功能
具有这样的功能芯片我们把它叫做芯片实验室
那么
对于全微分析系统我们一般是指
它集成了实验室的所有的分析流程
不但能够进行分析
还能进行试样的处理
来实现整个生化的分析过程
那么微流体的概念
一般我们把它限定在是指流量非常小的
流体所具有的一些特征
这里边包括物理和化学特性
以及如何利用微流体的特性来实现一些
对生物和化学试样的操作
尽管这几个概念有一些区别
但是概念的外延都在不断的扩展
因此目前我们在很多场合下
对这三个概念进行混用
而不进行严格的区分
我们来看在芯片上实现一个典型的
生化分析过程
都包括哪些步骤
这是一个做基因测序的一个典型过程
那么首先是获取生物的试样
然后对生物试样进行前期的预处理
包括细胞的分解 纯化
这样的一些过程
同时
引入一些反应试剂
那么反应试剂与我们从细胞里面提取出来的
生物目标产生一定的化学或者生物反应
我们接下来来进行DNA的扩增
那么常用的机理就是链式聚合酶的反应
我们把它缩写成PCR
然后进行荧光的标记 分离
最后进行光学或者不同方法的检测
如果把这样一个过程进一步的扩展和抽象
我们把一个芯片实验室或者全微分析系统
它所能够实现的功能概括为以下四个方面
第一个方面是目标的分离
包括采用不同一些技术
例如电泳等等
那么对我们要分析的目标和
目标中的背景生物离子
也就是杂质的生物离子进行分离
接下来我们需要目标的捕获
比如对抗体的捕获
对DNA的捕获等等
还有目标的放大
这个放大主要是针对DNA的扩增而言的
最后是目标的检测
我们可以利用光学或者电学的一些方式
对我们需要的目标它的浓度或者数量进行检测
芯片实验室的发展是从90年代开始
进入到一个蓬勃期
但实际上在1979年的时候斯坦福大学
就报道了一个气相色谱的文章
但是在当时并没有引起科学和工业界的
广泛重视
那么十年以后
日本的东北大学和荷兰的Twente大学
分别实现了一个用于血液检测的一个
气相分析系统和
用于集成微泵 流量 管道 传感器
这样一个全分析系统的压电驱动微泵
标志着微流体器件开始较为广泛的出现
那么在微流体的领域里有一个
里程碑式的人物就是Manz
这个人在上个世纪80年代的末期
在日本的日立公司做博士后
随后他回到了瑞士的汽巴嘉基制药公司工作
也就是现在的诺华
他在汽巴嘉基工作期间
在1990在传感器和执行器B的第一期上
发表了一个气相色谱的研究成果
在同一期杂志上
他提出了Micro TAS这样的一个概念
那么这个概念的提出结合当时自发的一些
研究成果迅速的吸引了全世界的注意
比如说在DAPAR的资助下
那么以进行生化检测作为目标
那么美国和加拿大很多的大学和研究机构
纷纷开始了微流体或者芯片实验室的研究
其中典型的是美国橡树岭实验室的Ramsey
那么他当时以毛细管电泳作为主要研究内容
那么1995年他创办了Caliper Technologies
这是目前在微流体领域里边
在全世界非常有影响力的一家公司
另外比如说加拿大Alberta大学的Harrison
那么他是在与Manz进行合作期间
以毛细管电泳作为主要的研究方向
芯片实验室有很多的应用
包括基因和蛋白质组学
包括环境监测 医学诊断 药物开发等等
那么经过过去这20几年的发展
芯片实验室有了长足的进步
例如全世界一些初创的公司和一些
做分析仪器的老牌公司都纷纷进入到
这一领域里像Caliper或者是Agilent等等
那么2015年微流体的产值达到了26亿美元
那么法国的Yole预测到2020年的时候产值
会快速增长到60亿美元
微流体实际上是指在芯片上流动的体积
很小的一些液体
我们在前面讲MEMS的物理的时候
曾简单介绍过
微流体具有一些与宏观流体不同的特点
首先是一个表面积体积比巨大
第二呢是雷诺数很低
表面积和体积比巨大
就带来以下的几个结果
首先是它的体力可以忽略
表面张力成为决定流体性能的主要因素
同时流动的阻力大
另外热传导非常快
那么雷诺数低
表现为微流体的流动以层流为主
对流和混合发生的非常缓慢
如果需要进行混合
那么主要以层流的流体之间的相互扩散为主
-第1小节 MEMS的定义
--MEMS的定义
-第1小节 MEMS的定义--作业
-第2小节 MEMS的应用领域
-第2小节 MEMS的应用领域--作业
-第3小节 MEMS的发展
--MSMS的发展
-第3小节 MEMS的发展--作业
-第4小节 MEMS的发展（续）
-第4小节 MEMS的发展（续）--作业
-第1小节 应力和应变
--应力与应变
-第1小节 应力和应变--作业
-第2小节 弹性梁
--弹性梁
-第2小节 弹性梁--作业
-第3小节 弹性梁（续）
--弹性梁（续）
-第3小节 弹性梁（续）--作业
-第4小节 薄板与流体的基本概念
-第4小节 薄板与流体的基本概念--作业
-第5小节 流体的基本概念（续）
-第5小节 流体的基本概念（续）--作业
-第6小节 静电力
--静电力
-第6小节 静电力--作业
-第7小节 尺寸效应
--尺寸效应
-第7小节 尺寸效应--作业
-第1小节 MEMS光刻技术
--MEMS光刻技术
-第1小节 MEMS光刻技术--作业
-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀
-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀--作业
-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀
-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀--作业
-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀（续）
-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀（续）--作业
-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀
-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀--作业
-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀
-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀--作业
-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀（续）
-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀（续）--作业
-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀
-- 体微加工技术—稳态深刻蚀
-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀--作业
-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用
-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用--作业
-第1小节 表面微加工技术概述
-- 表面微加工技术概述
-第1小节 表面微加工技术概述--作业
-第2小节 表面微加工技术的几个问题
-第2小节 表面微加工技术的几个问题--作业
-第3小节 表面微加工代工工艺
-第3小节 表面微加工代工工艺--作业
-第4小节 表面微加工的应用
--表面微加工的应用
-第4小节 表面微加工的应用--作业
-第5小节 厚结构层技术
-- 厚结构层技术
-第5小节 厚结构层技术--作业
-第1小节 键合概述与直接键合
-- 键合概述与直接键合
-第1小节 键合概述与直接键合--作业
-第2小节 阳极键合与聚合物键合
-第2小节 阳极键合与聚合物键合--作业
-第3小节 金属键合与键合设备
-- 金属键合与键合设备
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-第1小节 工艺集成
-- 工艺集成
-第1小节 工艺集成--作业
-第2小节 系统集成
--系统集成
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-第3小节 单芯片集成与多芯片集成
-第3小节 单芯片集成与多芯片集成--作业
-第4小节 三维集成
--三维集成
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-第5小节 MEMS封装
--MEMS封装
-第5小节 MEMS封装--作业
-第6小节 MEMS封装(续)
-第6小节 MEMS封装(续)--作业
-第1小节 概述
--概述
-第1小节 概述--作业
-第2小节 压阻传感器
--压阻传感器
-第2小节 压阻传感器--作业
-第3小节 电容传感器与压电传感器
-第3小节 电容传感器与压电传感器--作业
-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器
-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器--作业
-第1小节 压力传感器
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-第2小节 压阻式压力传感器
-- 压阻式压力传感器
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-第3小节 压阻式压力传感器（续）
-第3小节 压阻式压力传感器（续）--作业
-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器
-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器--作业
-第5小节 硅微麦克风
--硅微麦克风
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-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述
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-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器
-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器--作业
-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器
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-第4小节 微机械陀螺概述
--微机械陀螺概述
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-第5小节 典型微机械陀螺
--典型微机械陀螺
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-第6小节 典型微机械陀螺（续）
-第6小节 典型微机械陀螺（续）--作业
-第7小节 模态解耦合
--模态解耦合
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--执行器概述
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-第2小节 静电执行器—平板电容执行器
-第2小节 静电执行器—平板电容执行器--作业
-第3小节 静电执行器—平板电容执行器（续）
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-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器
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-第5小节 热执行器
--热执行器
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-第6小节 压电执行器和磁执行器
-- 压电执行器和磁执行器
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-第1小节 RF MEMS概述
-- RF MEMS概述
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-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器
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-第7小节 MEMS谐振器的制造
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-第1小节 光学MEMS概述
-- 光学MEMS概述
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-第4小节 影像再现I—反射器件
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-第1小节 概述
-- 概述
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-第3小节 微流体输运
--微流体输运
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-第4小节 微流体输运（续）
--微流体输运（续）
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-第7小节 检测技术
--检测技术
-第8小节 微流体应用
--微流体应用
-第8小节 微流体应用--作业
-第9小节 微流体应用（续）
--微流体应用（续）
-第9小节 微流体应用（续）--作业
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--概述
-第1小节 概述--作业
-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器
-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器--作业
-第3小节 可穿戴与可植入微系统
-第3小节 可穿戴与可植入微系统--作业
