可在体内应用的超低功率尺蠖式传动器 - 文章

可在体内应用的超低功率尺蠖式传动器

作者：M. Erişmiş

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本文将描述一款集成有微探针的新型静电尺蠖式传动器。该传动器利用疏水原理且具有防水特性，因此适合各种体内应用，包括脑部微针的精确位置控制。

微型传动器的机会

微型传动器采用微型机电系统 (MEMS) 技术将能量转化为微量位移，从而实现元件的高精度定位或控制，位移仅为几微米或纳米。它们可用于生物医学领域，例如当需要在微观水平上对生物物体或其环境进行控制时。如今，微型传动器可用作或者集成于微操纵器、微型手术器、微量泵、微阀门和微针上。一项特殊应用是与微探针集成做脑部应用，这种集成对于脑部三维扫描等应用极具潜力。目前，脑部植入物传动器已用于脑部研究，但仍处于体外应用阶段。如果将它们植入体内，将实现长期患者治疗。人们正在努力将这个愿望变为现实。

严苛的体内应用要求

将微型传动器应用于体内生物医学领域具有一定的挑战性。由于传动器将被用来进行定位控制，因此它们必须提供较大的移动范围和足够的力度。又由于电池寿命是这些应用领域的重要设计标准，因此应采用低工作电压并实现低功率。传动器将在液体环境中工作，所以必须进行适当的包装。上述所有要求都需要一个合适的传动器结构。如今的微型传动器可分为下列几类：静电传动器、热传动器、共轭聚合物传动器、电化学传动器等等。仔细观察它们的优点和缺点，我们发现静电尺蠖式传动器是满足上述挑战的最合适的传动器。微型尺蠖式传动器能达到较大的移动范围（可达几毫米），且不影响输出力。而且，这种传动器已达到纳米级的分辨率。本文将描述一种采用防水封装的新型静电尺蠖式微型传动器，并证明其适合体内生物医学应用。

概念和制造

“尺蠖式”一词最初用来表示一种特殊的线性步进压电传动器，它可以抓住和释放传送装置并沿目标方向“慢慢移动”传送装置。现在，尺蠖式已成为通用名词，用来表示逐步小幅增加偏差实现大幅位移的一类传动器。尺蠖式传动机制有多种不同类型，例如压电、静电和热学。静电尺蠖式拓扑由于模型简单、易与MEMS集成且能够提供较大的输出力而被选中。

尺蠖式传动器包括四个主要模块：一个驱动装置、两个锁定装置和一个传送装置。驱动装置可沿传送装置产生步进式位移，锁定装置逐一维持此位移。图 1a 和 b 显示了传动器的六步工作周期。在初始状态下，闩锁 A 和闩锁 B 被触发，抓住传送臂（初始步骤）。第 1 步，闩锁 A 释放左臂。第 2 步，驱动器拉紧产生步进式位移。随着驱动器桁架逐渐向电极方向移动，面内角度转换使自由传送臂产生正确的步进式位移。第 3 步，由闩锁 A 维持此位移。在第4步和第5步中，闩锁B和驱动器分别被释放。驱动器释放后，它将右臂的步进式位移传递至右臂。最后，闩锁B固定传送臂，保持此步进式位移并完成一个周期。在第 1 步中触发闩锁 B 而不是闩锁 A，即可实现反向位移。

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图 1：传动器（左图a）及其六步法操作原理（右图b）示意图。

此项目的目标是实现可提供较大移动范围和输出力的低压传动器。基于此目标，本研究中采用的拓扑结构的性能优于文献中现有拓扑结构，这是因为它包括一个机械增益调整级。六边形内形成的弯曲梁角（参见图 1a）产生面内角度偏转，从而提供可调机械增益。这个可调机械增益有助于在步进生成过程中实现力-位移平衡。该角度是关键的设计参数，可以针对低压和低功率应用优化尺蠖式设计。

传动器是采用基于绝缘体硅 (SOI) 的多用户工艺制成的，称为SOI多用户MEMS工艺 (SOIMUMP)。SOIMUMP 是一种可形成高质量、高深宽比硅结构层且不会出现任何应力弯曲的商业化工艺，因此成为一项首选技术。该商业化多用户工艺可极为迅速地完成设计。图2显示制成的传动器的光学显微镜图。

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图2：制成的传动器的光学显微镜图

防水封装

将静电微型传动器集成于生物医学应用领域面临着极大的挑战，主要原因有两个。首先，过于恶劣的环境使得静电传动器无法正常工作。体液呈电离状态且含有生物粒子，可引起腐蚀作用、粒子污染和静态阻力（引起一个物体与另一物体接触后移动所需的作用力）。第二个原因是由于静电激励的性质：电解和极化会妨碍器械的工作。传动器的防水密封是这些应用领域所必需的。防水方式必须防止水穿过梳齿，这样密封即可阻止传动器移动。

但这带来了一个问题：如何使传动器控制的外部探针来回移动并同时保持包装的密封性？这正是体内应用所需的。在此设计中，传动器采用倒装片玻璃盖进行包装，它可形成较小的间隙，方便传动器的移动。同时采用疏水表面处理进一步防止水浸入间隙，即通过电感耦合等离子体系统上的特氟隆沉积物和梳齿形成的表面糙度使壁间隙保持疏水性（图3）。此概念的最大优势在于传动器在空气中的特性与在水中类似。因此，输出力不会出现大幅下降且低电压工作亦成为可能。正因为如此，此封装方法优于采用弹性材料对传动器进行完全密封，后者将会对输出力造成限制。

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图3：密封传动器

传动器测试

我们利用上述制造技术创造出了具有不同特性的传动器，并成功对它们进行了测试。传动器性能评估采用的是带有 100 倍放大率照相机的探针台。利用数字图像对比检测微位移。样机的性能明显优于文献中报道的其它尺蠖式传动器的性能。具有最大工作范围的传动器 (±50 µm) 的工作电压为 11 V；输出力可达 ±195 µN，平均步长为 1.1 µm。工作电压最低的尺蠖式传动器的工作电压为 6 V，移动范围为 ±18 µm，输出力 ±25 µN。经测试，这些传动器的使用寿命可达 2000 万步。

经特氟隆沉积处理后，传动器可成功完成水下工作。其工作未受液体环境严重影响。传动器可在水中无故障工作一周，这证明了封装技术的可行性（图 4）。

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图4：可在水中成功操作的密封传动器

尺蠖式传动器的潜力

移动范围较大的传动器被认为是适合低电压、低功率、大移动范围和大输出力应用的最先进传动器。由于其静电特性，它们只消耗动态功率。此外，传动器的概念使设计不同步长传动器供不同应用领域使用成为可能。面内角度偏转实现了力-位移平衡，仅需细微的设计变化就可以设置从几纳米到几微米不等的步长。

本文所述尺蠖式传动器具有体积小、功率低和移动范围大以及防水和长时间独立工作的特性。这种新型特性组合使得传动器尤其适用于体内应用，总体而言，适合兼具长时间独立工作和小型电池特点的所有应用。采用此器械可实现长期患者治疗。传动器尤其可用来准确控制脑部微针的位置，这是到达特定病症对应的正确神经元群并靠近神经元以获得更好的信噪比所必需的。为使上述应用成为现实，我们开发出了生物相容性涂层，能够与人体完全相容。

延伸技术

大范围、低电压、低功率、大输出力静电尺蠖式微型传动器可与微探针集成，并利用基于 SOI 的显微机械加工技术制成，其工作电压低于 10 V，消耗的功率不超过 100n W，可提供 50 µN 以上的输出力和超过 20 µm 的移动范围。该工作电压较市售传动器低 3 倍。包括倒装片玻璃盖和疏水表面处理在内的新型封装方法使微探针可以在液体环境中工作。上述所有特性使得该器械尤其适用于包括脑部应用在内的生物医学应用领域。

Mehmet Akif Erişmiş 是 BioMEMS 研究员(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (9/6/2010)


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