2014年02月07日10:02
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“IEEE MEMS 2014”的演讲从1月27日开始在美国旧金山市拉开帷幕。到30日的四天里将发表从900多篇论文中选出的328篇。
第一天的特邀报告（Plenary Talk）是从美国佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）转职至美国宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）的Mark G. Allen教授发表的“MICROFABRICATED IMPLANTABLE WIRELESS MICROSYSTEMS: PERMANENT AND BIODEGRADABLE IMPLEMENTATIONS”演讲。Allen教授创办的体内留置型无线血压传感器企业——美国CardioMEMS公司在MEMS业界很有名，此次演讲也是从介绍这款传感器开始的。
在无法轻松更换传感器的人体内，传感器的性能的长期稳定性特别重要。留置型无线血压传感器的外侧完全由熔融石英制造，化学性质非常稳定。即便如此传感器的周围也会附着细胞和生物物质，因此必须设法在这种情况下零点和灵敏度也不出现漂移。
其实做到这一点的关键之处在于，将熔融石英制压力传感膜片增厚至100μm以上。当然这时灵敏度就会变差，不过如果可以改进读取方式提高分辨率，就没有必要过分减小传感膜片的厚度。由于长期稳定性尤其重要，因此正确的做法是首先获得能够满足长期稳定性的传感膜片厚度，然后再设计满足其他要求的元件和系统。
如上所述，CardioMEMS公司的体内留置型无线血压传感器具有“稳定性”，而演讲的后半部分则介绍了与其相反的技术。这是一项雄心勃勃的研究，也即采用生物降解性物质制作元件，这样元件在使用一定的时间后就会在生物体内分解。
目前通过生物降解性Mg和树脂（PLLA等）制造的支架被广泛采用，如果采用这些材料制作传感器的话，一定时间之后，传感器可能会在生物体内分解。作为其例子，试制出了与上述无线血压传感器相同原理（通过电磁耦合读取因传感器的电容变化而产生的LC共振频率变化）的压力传感器（图1、2）。
图1：生物降解性压力传感器（美国宾夕法尼亚大学Mark G. Allen的数据）
图2：生物降解性压力传感器的构造和制造方法（美国宾夕法尼亚大学Mark G. Allen的数据）
该压力传感器为无源方式，Allen教授的构想已扩大至以集成电路为代表的有源元件等生物降解性传感器。在第一天的海报发布中，Allen教授的研究室发布了生物降解性Mg/Fe薄膜电池的基础研究成果（演讲编号M-033，M. Tsang et al., A MEMS-ENABLED BIODEGRADABLE BATTERY FOR POWERING TRANSIENT IMPLANTABLE DEVICES）。该电池是Mg会溶出的原电池，利用了低价金属和高价金属之间产生的电位差。
生物降解性元件最重要的是确保所需要的工作时间以及用完后尽早进行生物降解这两者之间的平衡，这存在一定的难度。在Mg/Fe薄膜电池中，除了伴随放电出现的Mg溶出以外，与之无关的Mg也会溶出，因此为了抑制后者，让生物降解性树脂（PCL或PGS）覆盖Mg负极。但是如果覆盖层太厚，输出功率会因扩散电阻而下降，所以此次的基础研究尝试探讨了这一部分。目前，该电池完成了在硅基板上制作、然后充满MgCl2电解液的基础测试（图3）。另外，通过直径为2cm左右的尺寸获得了约25μW的输出功率以及约0.7mAh的容量。
图3：Mg/Fe薄膜电池的构造和制造方法（美国佐治亚理工学院及美国宾夕法尼亚大学Mark G. Allen的数据）
通过生物降解性Mg-Fe薄膜电池驱动的硅集成电路该如何实现呢？Allen教授表示希望制成“微乎其微（vanishingly small）”的尺寸。（作者：田中 秀治，日经技术在线！供稿）
