1、项目类型：前沿探索研究类（A） 申请编号：面向应用研究类（B）国家高技术研究发展计划（863 计划）项目申请书领域名称：主题（重大专项）名称：所属专题名称：项目名称：申 请 人：申请人单位：通讯地址：邮 编：联系电话： 传真：电子邮箱：中华人民共和国科学技术部二 年 月 日填 写 要 求、 请严格按表中要求填写各项；、 对于第一部分中的多选栏目，采用在所选项编号上划勾的方式确定；、 申请书文本中外文名词第一次出现时，要写清全称和缩写，再出现同一词时可以使用缩写；、 申请书文本采用 A4 幅面纸，可以自行以同样幅面纸复制，填写内容需打印填入,对于篇幅不够的栏目可自行加页；、 专利查新结论及其他附
2、件需与本申请书装订成一册,一并报送；、 表中单位性质、所在地区和所属部 门代 码请查阅 863 计划网站 (http:/)：863 计划项目信息有关代码对照表。一、 基本信息姓名 性别 01.男02.女 出生年月文化程度 01.研究生 02.大本 03.大专 04.大专以下 职称 01. 高级职称 02.中级职称03.初级职称 04.无职称项目申请人情况联系电话 E-mail名称通讯地址 邮编单位性质 代码 参加单位总数所在地区（省、自治区、直辖市、计划单列市） 代码项目申请单位所属部门（国务院各部、委、局及其机构） 代码单位名称 参加形式1.合作 2.协作 单位性质 （同上）1其它主要联合申
3、请单位项目活动类型 01.应用基础研究 02.应用技术开发 03.试验发展 04.软科学成果提供形式01.发明专利 02.新产品（或农业新品种） 03.新装置 04.新材料 05.新工艺（或新方法、新模式）06.计算机软件 07.技术标准 08.论文论著 09.其它总经费概算 RMB$960,000 万元拟申请 863 计划资助（万元）科技部其他科技计划资助国家其他资助(包括部门匹配)地方政府匹配银行贷款自有资金 HK$1000,000其它资金其他经费来源（万元）（请将提供经费方出据的同意提供经费的证明，作为其他附件附后。 ）合 计预计完成年限 申报日期所在单位在项目中职务（组长、副组长或成员
4、）及分担的任务为本项目工作 时间（人年）专 业职务/ 职称出生年月性 别姓 名序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 合计： 人年二、课题组主要研究人员 情况Participating Researchers from CMNS of CUHK:Name Sex Date of BirthTitle Professional BackgroundTime involvement in this projectProject ResponsibilityInstitution/Organization二、项目组主要研究人员情况序号姓 名 性别出生年月职务/职称 专 业为本项
5、目工作时间(人年)在项目中职务（组长、副组长或成员）及分担的任务所在单位1 r234567891011121项目组长、副组长资历情况(从事过的主要研究任务及所负责任和作用，研究成果和获发明专利情况，在国内外主要刊物上发表论文情况。)李文荣教授简历：李文荣教授分别于 1987 年、1989 年毕业于美国南加州大学(USC)，获学士学位和硕士学位，1997 年在美国加州大学洛杉 矶分校(UCLA) 获博士学位。1997 年至今在香港中文大学机械与自动化工程系 (现改名为自动化与 计算机辅助工程系)，任助理教授，2001 年任香港中文大学微 纳米系统研究中心主任。自 1987 年大学毕业至 1995
6、 年间，主要从事航空航天工程学的研究，先后在美国航天公司(The Aerospace Corporation)、美国加州硅微 结构公司(Silicon Microstructures Incorporated)、美国太空总署喷射推 进器 实验室(NASA Jet Propulsion Laboratory)任研究员，其中， 1992 年担任美国美国航天公司 亚美协会主席 (President) 。1995 年至今一直从事微型电子机械系统(MEMS) 的科学研究，主持和参加了 10 万元以上的各类基金科研项目 10 项，其中近 4 年的研究基金约港币 500 万元，在国际刊物上公开发表与 MEM
7、S 有关的论文 70 余篇 (以上详情见附录) ，获美国专利 2 项，曾获美国加州硅微 结构公司的公司雇员奖(1994 年) 、美国太空 总署的技术创新发明奖(1997 年) 、及重庆大学国家重点实验室访问学者奖， 应邀在中国、香港、美国等地作关于 MEMS 的专题报告 10 余次，作为主席主持召开了“国际智能结构与微系统学术会 议” ( IS3M 200)，主持及协同组织了多次有关 MEMS 和机器人研究的国 际学术会议，目前是“ 国际微纳米系统学术会议” (ICMNS 2002) 组委会的联合主席。作 为博士生导师，已指导毕业 1 名博士，6 名硕士，目前仍有 6 名博士生， 5 名硕士生
8、。 目前任微纳米操作特刊的客座编辑, 正在撰写 一书中纳米机器人组装和操作一章( 美国科学出版社，第一版 ) 。附录：李 文 荣 教 授 部 分 科 研 项 目 及 论 文 清 单外 部 研 究 项 目 Principal Investigator of the Hong Kong RGC-Earmarked Grant for A Force and Impact Sensing System for Robotic Micro-assembly, $806,404 (2002 to 2005). Principal Investigator of the Hong Kong Innovat
9、ion and Technology Fund for “Eco-safe Human-motion-powered MEMS Energy Generator for Mobile Electronic Devices“, HK$2,500,000 (2002 to 2004). Director of The Center for Micro and Nano Systems, HK$2,000,000 (2000-2002). Principal Investigator of the Hong Kong RGC-Earmarked Grant for Integrated Microm
10、echanical Switches for Adaptive Fractal Antenna Array, HK$653,237 (2001-2004). Principal Investigator of the Hong Kong RGC-Earmarked Grant for Micromachined Nafion Actuators for Tactile-display Systems, HK$ 501,817 (2000-2002). Principal Investigator of the Hong Kong RGC-Earmarked Grant for A MEMS V
11、ibration Electric Power Generator, HK$471,000 (1999-2001). Principal Investigator of the Information Technology Entrepreneur Program Grant for Wireless Network Micro Sensors, HK$252,000 (1999-2001). Co-investigator of the Hong Kong RGC-Earmarked Grant for Self-Powered Piezoelectric Sensors, $413,404
12、 (2002 to 2004). Co-investigator of the Hong Kong Innovation and Technology Fund for “Development of Medical Devices and Nano-Biosensors to Promote Biomedical Electronic Industry in Hong Kong“, HK$8,881,000 (2002 to 2005). Co-investigator for Hong Kong ITF Grant on Photonics Packaging Lab, HK$11,000
13、,000 (2001 to 2004). Co-investigator of the Hong Kong RGC-CRC Grant for Virtual Reality, Visualization, and Imaging Research, HK$3,000,000 (1999-2002). Co-investigator for Control of Micro Mirrors for Optical Switching, AoE in Information Technology Fund, Networks: Phase 1 Project, HK$213,000 (2001
14、to 2002). Received the State Key Laboratories Visiting Scholars Grant from Chongqing University, China to work on Micro Power Generation Devices for Space Systems, RMB$100,000 (1999-2000).其 它 外 部 研 究 项 目 “International Symposium on Smart Structures and Microsystems 2000“, The Croucher Foundation Con
15、ference Grant (extgrant/cf/0392/M/00sh), HK$100,000, 2000.著 作 期 刊 /书 1. Hoyin Chan and Wen J. Li, “A Polymer-based Micro Thermal Actuator for Micromanipulations in Aquaeous Environment”, accepted, International Journal of Non-linear Science and Simulation, April, 2002. 2. Julia S. J. Qin and Wen J.
16、Li, “Fabrication of Submicron Channels in Quartz Cubes Using Nd:YAG Laser”, accepted, International Journal of Non-linear Science and Simulation, April, 2002.3. Wen J. Li, Tao Mei, Winston Sun, and John D. Mai, “A Micro Polysilicon High-Angular-Rate Sensor with Off-Chip Wireless Transmission”, Senso
17、rs and Actuators: Physical A, September 2000.4. Wen J. Li, Gordon M. H. Chan, Neil N. H. Ching, Philip H. W. Leong, and Hiu Yung Wong, “Dynamical Modeling and Simulation of a Laser-micromachined Vibration-based Micro Power Generator”, International Journal of Non-linear Science and Simulation, Augus
18、t, 2000.5. W. J. Li, J. D. Mai, and C. M. Ho, “Sensors and Actuators on Non-Planar Substrates”, Sensors and Actuators: Physical A, Vol. 73, pp. 80-88, 1999. 相 关 会 议 论 文重要 MEMS 和 NANO 会议1. Allan P. Hui, Julia S. J. Qin, Wen J. Li, and Michael Y. Wang, “High Aspect Ratio Nano Fluidic Channels by Laser
19、-Controlled Fracturing“, IEEE MEMS 2002, Las Vegas, Nevada, USA, January 2002. 2. King W. C. Lai, Allan P. Hui, and Wen J. Li, “Non-Contact Batch Micro-Assembly by Centrifugal Force“, IEEE MEMS 2002, Las Vegas, Nevada, USA, January 2002.3. Julia S. J. Qin and Wen J. Li, “Fabrication of nano channels
20、 using laser-induced substrate splitting“, IEEE-Nano 2001, Hawaii, USA, October 2001.4. Julia S. J. Qin, and Wen J. Li, “Fabrication of complex micro channel systems inside optically-transparent 3D substrates by laser processing“, Proc. of 11th International Conference on Solid-State Sensors and Act
21、uators, (Transducers 01 / Eurosensors XV), Munich, Germany, June 2001, pp1624-1627.5. Neil N. H. Ching, Hiu Yung Wong, Wen J. Li, and Philip H. W. Leong, “A laser-micromachined vibrational to electrical power transducer for wireless sensing systems“, Proc. of 11th International Conference on Solid-S
22、tate Sensors and Actuators, (Transducers 01 / Eurosensors XV), Munich, Germany, June 2001.6. Winston Sun and Wen J. Li, “MEMS high-speed and angular-position sensing system with wireless transmission“, Smart Electronics and MEMS, SPIE 8th Annual International Symposium on Smart Structures and Materi
23、als, New Port Beach, CA, USA, 4-8 March 2001.7. Winston Sun, Antony W.-T. Ho, John D. Mai, and Tao Mei, Wen J. Li, A Foundry Fabricated High-speed Rotation Sensor Using Off-chip RF Wireless Signal Transmission, IEEE MEMS 2000, Miyasaki, Japan, January 2000.8. T. Mei, Y. Ge, Y. Chen, L. Ni, W. H. Lia
24、o, Y. S. Xu, and W. J. Li, Design and Fabrication of an Integrated Three-dimensional Tactile Sensor for Space Robotic Applications, IEEE MEMS 99, Orlando, USA, January 1999, Pp. 112-117.9. W. J. Li, J. D. Mai, and C. M. Ho, A MEMS Fabrication Technique for Non-Planar Substrates, IEEE MEMS98, Heidelb
25、erg, January 1998, Pp. 268-273.10. W. J. Li, J. C. Shih, C. M. Ho, J. Q. Liu, Y. C. Tai, Numerical Simulation for the Sacrificial Release of MEMS Square Diaphragms, First International Conference on MSMSSA, San Jose, USA, April 1998.11. W. J. Li and C. M. Ho, MEMS on Bulk Contour Mechanical Substrat
26、es, The 9th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators (Transducers 97), Chicago, June 1997. 12. T.K. Tang, R.C. Gutierrez, C.B. Stell, V. Vorperian, G.A. Arakaki, J.T. Rice, W.J. Li, I. Chakraborty, K. Shceglov, J.Z. Wilcox and W.J. Kaiser, A Packaged Silicon MEMS Vibratory Gyros
27、cope for Microspacecraft, MEMS 97, Hotel Nagoya Castle, Japan, January 26-30, 1997.三、项目情况1主要研究内容、拟解决的技术难点，以及预期达到的目标、主要技术指标和水平基于聚合体的细胞操作和感知MEMS设备生物实体的微操作是目前生物技术研究的一项重要内容。但是，大多数现有的MEMS执行器只能在干燥的 环境中进行操作，因而，不适合用于生物微操作。本项目旨在研制一种新型聚合体材料的微加工技术，它可以用于制造新的可在低温和弱电场条件下工作的 MEMS 执行器。 这些 MEMS 元件既可以作 为执行器，也可以作为温度、力
28、和 PH 传感器。 这些执行器的潜在应用领 域包括细胞的捕获和操作，chemical and heat based micro-fluidic valves for drug delivery chips,，以及象分子和 DNA 这一类纳米实体的操作。在本项目中将开发出下列特殊用途的聚合体：1）离子导电聚合体薄膜(ICPF)执行器， 可以通过 感应电场驱动，也可通过 改变它所在水介质的 pH 值来驱动。2) Parylene C based actuators, 可以以很小的输 入功率在水 环境中执行，也可以用作向生物体传递热量的微加热臂。我们将利用香港中文大学微纳米系统中心的特有的离子导电聚
29、合体和Parylene C微加工工艺， 结合沈阳自动化研究所在开发智能机器人系统方面的实践经验，建立用于细胞操作的硅基微聚合体执行器和传感器集成阵列。我们计划在一年里，完成执行器的原型系统和必须的演示软件，演示下列操作：1）在液体中的细胞抓取；2）用可移动微加热器对单个细胞的加热；3）在液体环境下通过微执行器进行可控的细胞旋转，以用于实时3D分析。对于生物、制药、化学，尤其是 细胞操作、DNA 和蛋白质分析方面的研究和开发，将会加速新药开发和药物输送预计这两项产业将在近二十年中迅速发展，并对人类的长寿、保健和对于生命本质 的理解产生根本性的变革。我们相信本项目的成功，将会有助于生物科技领域的研
30、究人员的研究工作，他们可以应用这种MEMS设备操作和感知生物实体，这 在以前是无法做到的。图 1 利用基于微吸管的技 术进 行生物 细 胞操作和 DNA 注射图 2 研制微 细 胞机器人操作系 统 的最 终 目 标 示意 图2预期可获得的发明专利等知识产权情况- 中美专利：低能量用于细胞微操作和传感的基于 Nafion 的离子导电聚合物金属复合结构- 中美专利：低功耗用于细胞微操作和传感的 Parylene 热执行器- 中美专利：pH 敏感的用于生物传感的离子导电 聚合物金属复合结构3项目主要研究技术内容的国内外发展现状与趋势，国内现有技术基础，以及与项目有关的技术领域的国内外专利申请和授权情
31、况（附有关专利查新结论）现有的 MEMS 执行器因输出力、位移和工作 环境的局限，只能应用于很小的特定范围。如 S.Shoji 所述，每一种致 动原理，包括静电、压电、热和电磁致动都有各自的利弊。例如，静电和压电致动位移有限，电磁致动则很难获 得一个集成的能产生很大磁场的微磁体。而热致动可产生大的力和形变却需要大功率因而可能影响周遭环境温度。为了实现微操作，特别是细胞的操作，要求 执行器在生物流体环境工作。尽管气 动的微夹已经可以灵巧的在水中抓取细胞，但它的频率响应慢，难以对组成微夹的各个的附属结构实现控制，因而阻碍了它的进一步发展。 CJ 静电的微执行器会在富离子的流体里失效，形变也很小3。
32、所以基于液体环境工作，研究者会考虑热致动。一般来 讲，热执行器由两层材料组成，称为 “双膜” ，其中一层是加热器，可以产生大形变和力输出。然而，驱动功率要求很大。G. Lin3 等发表过热/静电微执行器(200m45m1.1m，polyimide/Au 结构) ，它在空气中工作在 7V，4mA。但在液体中，需要100V 因而导致执行器 过热。M. Ataka4等也制备了这样结构的双膜执行器(500m100m6m)，但工作温度升至 260 度，毫无疑问将杀死细胞。鉴于基于硅和金属的热微执行器在液体环境工作的弊端，必须开发新材料，进行新设计来实现热微执行器对活细胞的微操作。本项目中，我们采用 pa
33、rylene C 封裹中间的金属加热层组成三层膜的热微执行器。parylene C 是一种聚合物，具有良好的机械性能和电性能，即大的(CTE)热延展系数和高介电常数。它可承受 180 度的高温且一致性很好6。它具有生物兼容性，可抗 O2、水、溶剂、一般化学 试剂 和 CO2。因此我们选择它来保护金属，以免其暴露在液体中和与液体发生反应(详见下一部份) 。而且，金属被封装，发出的热量不易散失，所以对周围 的热量损失减少。 parylene C 也被用于制备微流体器件如微通道7 和微检阀 8 。这里我 们利用它的这些优势研制一种基于聚合物的热微执行器实现在液体环境中的微操作来抓取细胞。这样，一旦
34、单个 细胞被抓获，用微 执行器的附属结构来产生热量，可以对细胞的局部热效应进行研究。另一方面，人工肌肉材料的近期研究进展显示出这种不为MEMS领域所深知的非传统致动原理的微执行器在这一应用上非常有前途。最近，Jager10和Smela11采用新的聚合物材料证明微机械手能在液体环境中对微小的物体进行操作。但是它们必须在电解质溶液中工作并不适合生物体生存。我们正在致力研究将离子导电聚合物薄膜(ICPF) 微执行器在生物液体中工作的可能性。ICPF 作为人工肌肉用于机器人的早期工作 证明一些大尺寸的器件可工作于空气和水中。我们的研究集中在Nafion亚毫米结构的微型化和性能表征15 。然而在现有文献
35、中，大部份ICPF 微执 行器都直接采用商用薄膜， 标准厚度约200微米，因而无法解决减小尺寸的问题。最近，我 们用涂覆Nafion溶液涂覆和平面光刻技术成功制备了可在水中工作的微执行器，促进了ICPF微执行器最终应用于生物体操作的进程。 表 1 各种 常用的 MEMS执 行器性能比 较静电 电磁 压电 热变形 SMA行程（%） 32 50 0.2 50 8最大压力（Mpa）0.025 0.1 35 10 400最大能量密度 (J/cm3)0.004 0.025 0.035 25.5 16表 2：IPMC, SMA and EAC的性能比 较参数 驱动行程驱动力 (MPa)反应速度密度 驱动电
36、压功率消耗断裂强度IPMC 10% 10-30 sec to sec1-2.5g/cc4-7V Watts 韧性、弹性形状记忆合金 (SMA)2V，存在水电解。所以在 尝试细胞操作以前需优化结构上的设计。上述实验中不希望出现的气泡在较高的电压下产生，也影响了器件的性能。所以我们提出采用 Parylene 来覆盖所有引线部分。由于它可以阻挡湿气，也就避免了 DI 水与金属加热器的接触，从而抑制了气泡。图 X 所示，覆盖 Parylene 后，电压加到 10V 也没有气泡产生。 这样就使该器件极其可能应用于细胞抓取。值得一提的是，这些 Parylene 三层膜结构在液体环境中也可作为热传感器，也就
37、是溶液改变温度时，它们会变 形。 图 XX 是这种情况下的一个 阵列。图 10 外加 电压 下 电 极引 线 覆盖有 parylene 和没有 时显 微 镜 下 对 比的照片由于项目的需要，我们计划开发一个由计算机控制的细胞抓取系统。设计思路是将MEMS 芯片集成到一个集成 电路组件中，并插入到一个特别设计的电路中， 这个电路用于计算机控制和细胞抓取。 这个设计概念如图 xx 所示，在水槽底部有一个集成电路组件，在该组件上贴有一个 MEMS 芯片。 MEMS 芯片暴露在水中，而集成电路组件将连接到用于计算机控制的电路中。参考文献1 Michael Y. F. Kwok, Wen J. Li,
38、and Yangsheng Xu, “Development of micro Nafion actuators for cellular motion control and underwater manipulation“, Experimental Robotics VIII, Springer-Verlag, January 2001.2 Jennifer W. L. Zhou, Wen J. Li, and Ning Xi, “Development of a force-reflection controlled micro underwater actuator“, IEEE/R
39、SJ IROS 2001, Hawaii, USA, October 2001.3 Jennifer W. L. Zhou, Wen J. Li, Ning Xi, and Shugen Ma, “Development of force feedback controlled Nafion micromanipulators“, Electro-Active Polymer Actuators and Devices, SPIE 8th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials, New Port Bea
40、ch, CA, USA, 4-8 March 2001.4 Hoyin Chan and Wen J. Li, “Parylene-based Low Power Consumption Thermal Actuators for Micro Cellular Manipulation”, submitted to IEEE MEMS 2003, January 2003, Japan.5 Hoyin Chan and Wen J. Li, “A Polymer-based Micro Thermal Actuator for Micromanipulations in Aquaeous En
41、vironment”, accepted, International Journal of Non-linear Science and Simulation, April, 2002.5预期研究成果应用转化的前景预测及分析（包括国内外应用或市场现状、潜在用户、市场前景及风险预测, 经济效益和社会作用、影响分析等）- 6项目现有工作基础与申请单位承诺提供的支撑条件，其他所需增添的支撑条件和主要仪器设备（说明用途）北京理工大学与微纳米系统中心(香港中文大学)相结合，具备了所有的必备资源来完成这个项目。这些资源包括：（1）所有的微系统研究与实验必需的设备及工具，计算资源，软件，及微系统制造设备。
42、 （2）足够的人力资源（国内 /国际知名大学的 MEMS 研究专家、教授及博士研究生）。微纳米系统中心的所有设备 可以在网上查询（http:/www.acae.cuhk.edu.hk）。此外，仍需要以下设备部件来专门建造一台微/纳米成型机和一台高精密多 层对齐机：- 用于微/纳米成型机的温度控制平台。- 微力传感器和温度传感器。- Controller for force applicator- 用于高精密多层对齐机的(多轴)微定位器。7合作单位任务分工北京理工大学（BIT）- 定制一台可以在线调控温度和压力的自动化台式成型机。将用传感器来对温度和压力进行闭环控制。参数及 设计由微纳米系统中心
43、提供。- 定制一台基于 CMNS-MBI 设计的、用于多层塑料接合的对齐机。- 开发用于高精密多层对齐机的视觉图形软件，以加强高精密多层对齐机的性能及可操作性能。- 在两年之内用台式成型机制作出实验室用芯片原型，该芯片应集成有微泵、压力 传感器，以及微通道。微纳米系统中心(香港中文大学)- 开发一个用户友好的软件包，用来将 MEMS CAD 转换成为用于制造 3D 微小模型的数控格式。- 基于 3D 微模和多层对齐工艺，开发用于以下塑料流体部件的处理工艺： 具有3D 轮廓的微通道，微泵，以及微 压力传感器。- 向北京理工大学提供 CMNS-MBI 对齐接合技 术。- 向北京理工大学提供用于微/
44、纳米部件成型的有关温度，压力和耐久性的优化参数。- 向北京理工大学提供有关塑料基片连接的有关温度，压力和耐久性的优化参数。四、审核意见1申请人所在单位意见微流体系统的制造与装配是该系统实用化的关键技术，该项目的研究将会极大地促进微流体系统的研究与开发。石庚辰教授从“ 九五” 以来一直从事微系 统的教学与研究工作，在科技 图书出版基金的资助下，年内将出版 微机电系统技术的专著。与香港中文大学合作进行本项目的研究，双方取长补短，将会很好地完成本项目的研究。我校积极支持石庚辰教授与香港中文大学联合申请本项目的研究，并在人员和设备上给予大力的支持。签 章 二 00 年 月 日2联合申请单位意见联合申请
45、单位（一）集成微流体系统是进行 DNA、蛋白质、 细胞和化学分析等新一代仪器的关键器件，也是药物输送和探索新药物的核心器件。它的研究开发将使生物医学产生革命性的变革。由李文荣教授领导的香港中文大学微纳米系统中心是亚洲进行微系统研究和开发的重要机构之一，在集成微流体系统方面进行了开创性的研究，所开发的微纳米管道制造技术已获得美国专利。目前，李文荣教授领导的研究中心有多名研究人员从事微流体系统的研究和开发工作，并与国际上有广泛的合作，完全有能力完成本项目的研究。我系完全赞同，并全力支持李文荣教授与北京理工大学共同合作进行该项目的研究，并在人力、物力上给以支持。签 章二 00 一 年 十 月 五 日联合申请单位（二）签 章二 00 年 月 日联合申请单位（三）签 章二 00 年 月 日附件：有关专利查新结论其他附件
