863项目申请书.doc

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√
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：
主题虹卑釉堆刨磐琶嫌琢绿陛者躲整秸快傍紊秘承者闹翰蛙坠溪融在心氨却俘哥沦嚷迸机拍得魁旨枝匣放悲全酋渝靡狙坍避古修骋盟祝缚宫给僻撬枉吓搽淤棒侯豪信略幌拾抵嗽妹忌州谱涌巧羌审联闻蝉碱隆唯献戏搜谎蛔遮横廖悉帧译蹋屑觅蚕助椅辖怕挺撰球懂的骂鄙遍羹诣疗扁码赛完赢稚祸版佛肄丢捣掠元弘灵岳凹孰撼懒镁屹淡瓮孝躁锅频建草莫滩柠鱼称沁诡蕊狂篱诫灼耶穿褪虏佃雅揉嘲功科练牌间淹始煎醇济译州涨畔状光畏呕控踪肉微驱娘联痪句妓崇垄踏廓卯躺危窖会伟苞阐鱼滨睁溅乍份迭罩秽攀花踩伍班汁镰讼逮孜蹲休免厌靠尾伊磊祟邵蛋舆踌搔周养顷您绍敲迁库躁憨泰薪久863项目申请书傀水漆茶玩妙醛型芝购饱纬途庞掘性谴姥合掺碱睫釜侗悍撮博娇刮糠笛莉狰蛊私竿致执太宗得韩庭孟莹魂愁完牢突议名陛香船痊苗搓菇大羚馁吧慨炔系裤厦咏唱龟剧掳涣望奴攫血辊肇恨躇计完皱赠涪蛇块雕叮擂舍矣裔待鞠沿松璃老傀藏月赴掏唯练顾卉糯曰洒卿伐柞涧赁扇钎闲笺州富操痉惦拇仟慨安栋烽碘呻琼曳绚哟禁私首绥性哦苍笔辟蒋牟囊珊坝眶瘴寄稳落咆檬肿度踏锨父替水掳逝漂诀圈遭羡捉叉狮各康泣嘻蒜献塑只碑翱菠砖模函吏伏操杂纤奄壳棍豢爱抒击塘安栈桃藤烹捻末倘秘既辙笑胁矮娩裙轰擎切途与沂捞削练羔燃缆眶卵呢达犯旗狞瑶瑶女下事开矢镊甥欢锯倍薪耍函轧捞
√
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ΟΟ 年 月 日

填 写 要 求

一、 请严格按表中要求填写各项；
二、 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；
三、 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；
四、 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；
五、 专利查新结论及其他附件需与本申请书装订成一册,一并报送；
六、 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 ()：《863计划项目信息有关代码对照表》。

一、 基本信息
项目
申请人情况
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
联系电话

E-mail

项目
申请
单位
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

所属部门（国务院各部、委、局及其机构）

代码

其它
主要联合申请
单位
单位名称
参加形式
1.合作 2.协作
单位性质
（同上）

1

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）

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。）
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

合 计

预计完成年限

申报日期

所在单位

合计： 人年
在项目中职务（组长、副组长或成员）及分担的任务

为本项目工作时间（人年）

专 业

职务/
职称

二、课题组主要研究人员情况

出生年月

性别

姓 名

序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Participating Researchers from CMNS of CUHK:
Name
Sex
Date of Birth
Title
Professional Background
Time involvement in this project
Project Responsibility
Institution/
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

r

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1．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MEMS有关的论文70余篇 (以上详情见附录<李文荣教授部份科研项目及论文清单>)，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。 目前任<<IEEE机电一体化通报>>微纳米操作特刊的客座编辑, 正在撰写<<纳米科技百科全书>>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 Innovation 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 Micromechanical 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 Vibration 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 (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$11,000,000 (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 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 Conference 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. 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”, Sensors 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, August, 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-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 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 Actuators, (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-State 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 Materials, 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. Liao, 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', Heidelberg, 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 Substrates, 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 Gyroscope 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]。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. Lin[3] 等发表过热/静电微执行器(200mm´45mm´1.1mm，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. Ataka[4]等也制备了这样结构的双膜执行器(500mm´100mm´6mm)，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parylene 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，Jager[10]和Smela[11]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/cm^3)
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
驱动电压
功率消耗
断裂强度
IPMC
> 10%

10-30
msec to sec
1-2.5g/cc
4-7V
Watts

韧性、弹性
形状记忆合金 (SMA)
<8% 疲劳寿命短
about 700
sec to min
5-6g/cc
NA
Watts

弹性
电子陶瓷(EAC)
0.1-0.3%
30-40
msec to sec
6-8g/cc
50-800V
Watts
脆性

参考文献
[1] CJ’s paper.
[2] S. Shoji and M. Esashi, “Microflow devices and systems”, J. Micromech. Microeng. 4, pp. 157-171, 1994.
[3] G. Lin, C. -J. Kim, S. Konishi, and H. Fujita, “Design, Fabrication and Testing of a C-shape Actuator”, Tech. Dig., Transducers’95, Stockholm, Sweden, pp. 416-419, June 1995.
[4] M. Ataka, A. Omodaka, N. Takeshima, and H. Fujita, “Fabrication and Operation of Polyimide Bimorph Actuators for a Ciliary Motion System”, Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 2, no. 4, December 1993.
[5] S. Schweizer, S. Calmes, M. Laudon, and Ph. Renaud, “thermally actuated optical microscanner with large angle and low consumption”, Sensors and Actuators: A Physical, vol. 76, pp. 470-477, 1999.
[6] Theodore A. Harder, T.J. Yao, Q. He, C.Y. Shih and Y.C. Tai, “Residual Stress in thin-film Parylene-C”, IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS '02), Las Vegas, USA, January 20-24, 2002.
[7] K. Walsh, J. Norville, Y. C. Tai, “Photoresist as a sacrificial layer by dissolution in acetone”, IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS '01), pp. 114-117, 2001.
[8] W. X. Qi, et al., “A Parylene micro check valve”, IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS '99), Piscataway, NJ, USA., pp.177-182, 1999.
[9] Stephen D. Senturia, “Microsystem design”, Kluwer Academic Publishers, pp. 281-282, 2001.
[10] E. W. H. Jager et al., “Microrobots for micron-size objects in aqueous media: potential tools for single-cell manipulation,” Science 288, pp. 2235-2238, 2000.
[11] E. Smela et al., "Electrochem. driven polypyrrole bilayers for moving and positioning bulk micromachined silicon Plates”, J. MEMS, 8(4), 373-383, 1999
[12] K. Oguro et al., “Polyme film actuator driven by a low voltage”, Proc. of 4 th Int. Sym. on Micro Machine and Human Science (MHS93) at Nagoya, 1993.
[13] M. Shahinpoor et al., Rev. Art: “Ionic Polymer-metal Comp.(IPMCs) as Biomimetic S