From MEMS to Bio-MEMS and Bio-NEMS pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:CRC Press

作者:Marc J. Madou

出品人:

页数:650

译者:

出版时间:2010-06-16

价格:USD 99.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9781420055160

丛书系列:

图书标签:

• 科学
• MEMS
• Bio-MEMS
• Bio-NEMS
• 微机电系统
• 生物微机电系统
• 纳米生物技术
• 传感器
• 微纳技术
• 生物医学工程
• 微流控

《微型机械电子系统到生物微纳机电系统：探索微观世界的奥秘与应用》 引言 我们生活在一个日益微缩的世界。从我们体内的细胞到电子设备中的微小元件，微观尺度下的技术革新正以前所未有的速度改变着我们的生活。本书《微型机械电子系统到生物微纳机电系统：探索微观世界的奥秘与应用》正是致力于揭示这一微观世界的强大潜力。它不仅仅是一本技术手册，更是一扇通往未来创新大门的钥匙，引导读者深入理解并把握从微型机械电子系统（MEMS）到生物微纳机电系统（Bio-MEMS）乃至生物纳机电系统（Bio-NEMS）这一技术发展脉络中的关键原理、前沿进展及其在各个领域的深远影响。 第一部分：微型机械电子系统（MEMS）——微观世界的基石 MEMS，全称微型机械电子系统，是将机械元件、传感器、电子电路以及控制系统集成在硅或其它半导体材料上的微小装置。它们通常尺寸在微米至毫米级别，却能执行精密的机械运动、感知物理环境并进行电子信号处理。本部分将为读者奠定坚实的MEMS基础，深入解析其核心概念与关键技术。 MEMS的定义与发展历程： 我们将追溯MEMS技术的起源，从早期对精密加工技术的需求出发，探讨其如何演变为一个独立的、具有颠覆性力量的学科。我们将重点介绍MEMS技术发展的几个关键里程碑，例如微型传感器、微型执行器以及微流控器件的出现，并分析其背后的科学原理和工程挑战。 MEMS的设计与制造： 这一部分将详尽阐述MEMS器件的 설계 理念和制造工艺。我们将介绍常用的微制造技术，包括光刻（Photolithography）、刻蚀（Etching，干法与湿法）、薄膜沉积（Thin-film Deposition）、以及硅微加工技术（如LIGA、深硅刻蚀等）。读者将了解如何通过这些精密工艺在微米尺度上构建出复杂的机械结构和电子元件，例如微型弹簧、微型马达、微型阀门等。 MEMS的基本元件： 我们将重点介绍MEMS领域的核心功能单元，包括： 微传感器（Microsensors）： 它们能够感知物理量，如压力、温度、加速度、陀螺仪、湿度、光线、磁场等，并将这些信息转化为电信号。我们将深入探讨不同类型微传感器的物理工作原理，例如压阻效应、压电效应、电容变化、热敏电阻效应等，并分析其灵敏度、精度和响应时间等关键性能指标。 微执行器（Microactuators）： 它们能够将电信号转化为机械运动，实现微小的位移、旋转或力。我们将介绍常见的微执行器类型，如静电驱动、压电驱动、热膨胀驱动、电磁驱动等，并分析它们在微型泵、微型阀、微型开关、微型显示器等应用中的作用。 微流控器件（Microfluidic Devices）： 它们能够精确地控制微量流体的流动，实现混合、分离、反应和检测。我们将探讨微流控芯片的设计原理，包括通道尺寸、流体动力学效应以及表面张力等，并介绍其在药物输送、基因测序、化学分析等领域的应用潜力。 MEMS的应用领域： MEMS技术已经渗透到我们生活的方方面面。本部分将重点介绍MEMS在各个行业的广泛应用，包括： 消费电子： 智能手机中的加速度计、陀螺仪、麦克风；数码相机中的微型显示器；游戏控制器中的运动传感器。 汽车工业： 气囊充气传感器、发动机控制传感器、胎压监测系统、导航系统。 医疗健康： 血压传感器、血糖监测仪、微型泵用于药物输送、诊断芯片。 工业自动化： 压力传感器、流量传感器、微型阀门、机器人技术。 航空航天： 惯性导航系统、姿态控制系统、微型传感器。 第二部分：生物微型机械电子系统（Bio-MEMS）——融合生命与微观技术的桥梁 Bio-MEMS，顾名思义，是将MEMS技术与生物学、医学等生命科学相结合的交叉领域。它利用MEMS器件的精密性和微观特性，在生物体内部或体外进行精确的检测、操纵和治疗。本部分将带领读者进入Bio-MEMS的迷人世界，探索其独特的原理和广阔的应用前景。 Bio-MEMS的定义与核心理念： 我们将阐释Bio-MEMS的核心在于利用微纳技术来解决生物学和医学领域中的关键问题。它不仅仅是简单的MEMS在生物领域的应用，而是需要深入理解生物体的微环境、生物分子的特性以及生物相互作用，并将其与微电子机械系统进行巧妙的融合。 Bio-MEMS的关键技术与挑战： 这一部分将深入探讨Bio-MEMS特有的技术挑战和解决方案。 生物兼容性（Biocompatibility）： 这是Bio-MEMS设计和制造过程中至关重要的环节。我们将讨论如何选择和处理材料，以避免对生物组织和细胞产生不良反应，确保器件在体内或与生物样本接触时的安全性。 生物界面工程（Biointerface Engineering）： 如何在MEMS器件表面构建能够特异性识别、捕获或响应生物分子的界面，是实现精准生物检测的关键。我们将介绍表面修饰、生物分子固定化、抗体偶联等技术。 微流控在生物应用中的优化： Bio-MEMS中的微流控芯片需要克服许多生物体内的复杂因素，例如血液的粘稠度、细胞的聚集、非特异性吸附等。我们将探讨如何优化微流控通道设计、流体控制策略以及表面处理技术，以提高生物样本的处理效率和检测灵敏度。 集成与封装： 将MEMS器件集成到复杂的生物系统中，并进行可靠的封装，以适应生物体内的环境，是Bio-MEMS面临的另一大挑战。 Bio-MEMS的核心应用： Bio-MEMS正在深刻地改变着生命科学和医疗健康的面貌。 体外诊断（In Vitro Diagnostics）： 微型化诊断芯片（Lab-on-a-Chip）： 整合了样本处理、反应、分离和检测等多个功能单元，能够快速、准确、低成本地进行疾病诊断，例如血糖检测、病原体检测、基因筛查等。 微阵列（Microarrays）： 用于高通量地检测生物分子，如DNA、RNA、蛋白质等，在基因组学、蛋白质组学研究以及药物研发中发挥着重要作用。 体内诊断与监测（In Vivo Diagnostics and Monitoring）： 植入式传感器： 例如用于连续血糖监测的微型传感器，能够实时监测患者的生理指标，为个性化治疗提供依据。 微型药物输送系统： 通过精确控制药物的释放速率和剂量，提高治疗效果，减少副作用。 细胞与组织工程： 细胞操纵与培养： 利用微流控技术实现细胞的分选、培养和定向培养，为再生医学和药物筛选提供平台。 组织工程支架： 构建微观结构化的支架，模拟体内细胞生长的微环境，促进组织再生。 生物传感技术： 开发高度灵敏、特异的生物传感器，用于检测环境污染物、食品安全以及生物武器等。 第三部分：生物纳机电系统（Bio-NEMS）——迈向原子与分子级别的精准控制 Bio-NEMS，即生物纳机电系统，是MEMS和Bio-MEMS的进一步延伸，将技术尺度推进到纳米级别。在纳米尺度下，材料和系统的行为会发生显著的量子效应和表面效应，这为实现前所未有的精准控制和功能提供了可能。本部分将探索Bio-NEMS的独特魅力，以及它所代表的未来发展方向。 Bio-NEMS的定义与研究范式： 我们将深入理解Bio-NEMS与MEMS/Bio-MEMS在尺度上的根本差异，以及由此带来的物理、化学和生物学上的新现象。我们将强调Bio-NEMS研究更侧重于原子、分子层面的相互作用和功能实现。 纳米材料在Bio-NEMS中的应用： 纳米材料因其独特的性能，在Bio-NEMS中扮演着至关重要的角色。 纳米传感器： 利用纳米材料（如纳米线、纳米管、量子点）的高表面积和高灵敏度，实现对单个生物分子或微量物质的超灵敏检测。 纳米药物载体： 利用纳米粒子的尺寸优势，实现对药物的靶向输送，提高药物疗效，降低毒副作用。 纳米机器人： 理论上，可以设计能够在体内进行精确操作，如输送药物、修复细胞、清除病灶的纳米级机器人。 Bio-NEMS的关键技术： 纳米制造技术： 介绍先进的纳米制造方法，如电子束光刻（EBL）、聚焦离子束（FIB）、自组装技术、原子层沉积（ALD）等，这些技术能够实现纳米尺度结构的精确构建。 纳米尺度下的表征技术： 探讨扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）等先进表征手段，用于观察和分析纳米结构和纳米器件。 分子识别与自组装： 利用分子间的相互作用力，实现纳米器件的自组装和功能化，构建具有复杂功能的纳米系统。 Bio-NEMS的未来展望： Bio-NEMS代表着科学技术的未来前沿，其潜在应用领域极为广阔。 超高灵敏度生物检测： 实现对单分子水平的早期疾病诊断，对环境污染物进行超低浓度监测。 精准医疗与靶向治疗： 发展能够精确识别和作用于癌细胞的纳米药物载体，实现纳米机器人进行体内修复。 仿生学与人工智能的融合： 借鉴生物体的精妙设计，创造出更智能、更高效的微纳系统，甚至实现人机接口的革新。 新材料的开发与应用： Bio-NEMS的发展将推动新型纳米材料的研发，为各行各业带来颠覆性创新。 结论 《微型机械电子系统到生物微纳机电系统：探索微观世界的奥秘与应用》一书，将引领读者循序渐进地探索微观世界的无限可能。从MEMS打下的坚实基础，到Bio-MEMS在生命科学领域的蓬勃发展，再到Bio-NEMS所描绘的未来图景，本书旨在为研究人员、工程师、学生以及所有对前沿科技感兴趣的读者提供一个全面、深入且具有启发性的视角。通过对这些技术的深刻理解，我们能够更好地驾驭微观世界的强大力量，并将其转化为解决人类面临的重大挑战，创造更美好的未来。本书不仅仅是对现有技术的梳理，更是对未来创新方向的指引，激励我们不断突破界限，探索未知。

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