微機(jī)電系統(tǒng)和納機(jī)電系統(tǒng)

    1.引言
    微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和納機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）是微米/納米

    技術(shù)的重要組成部分，逐漸形成一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域。MEMS已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)化道路上發(fā)展，NEMS還處于基礎(chǔ)研究階段。

    從微小化和集成化的角度，MEMS（或稱微系統(tǒng)）指可批量制作的、集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、通訊和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。而NEMS（或稱納系統(tǒng)）是90年代末提出來(lái)的一個(gè)新概念，是繼MEMS后在系統(tǒng)特征尺寸和效應(yīng)上具有納米技術(shù)特點(diǎn)的一類超小型機(jī)電一體的系統(tǒng)，一般指特征尺寸在亞納米～數(shù)百納米、以納米級(jí)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的新效應(yīng)（量子效應(yīng)、界面效應(yīng)和納米尺度效應(yīng)）為工作特征的器件和系統(tǒng)。圖1給出了MEMS和NEMS的特征尺度、機(jī)電系統(tǒng)的尺度與相應(yīng)的理論問(wèn)題。

    MEMS在某種程度上可以看作是集成電路（IC）的擴(kuò)展。如果IC（微處理器和信號(hào)電路）可以比喻作人的大腦和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，那么MEMS就為這大腦提供了獲取信號(hào)的微傳感器和執(zhí)行命令的微執(zhí)行器，如在電路上加入諸如薄膜、梁、彈簧和齒輪等MEMS機(jī)械元件，就能夠?qū)Νh(huán)境具有感知、思考、決策和反應(yīng)控制能力?；谛滦?yīng)的NEMS器件具有更高的靈敏度、更低的功耗、更小的體積。因此，如果將MEMS、NENS和IC高密度地集成在一塊很小的體積中，組成的智能微/納機(jī)電系統(tǒng)，將提高系統(tǒng)信息處理能力和集成度，降低功耗和體積。例如美國(guó)正在研究用MEMS或NEMS諧振器代替RF信號(hào)處理器片外的電感和電容，使其尺寸減小100倍（從80 cm2減小到0.8 cm2以下），功耗減小100倍（從300 mW減小到0.8 3 mW以下），RF性能（效率和帶寬）提高10倍（如圖2）。未來(lái)的UHF（超高頻）通訊/ GPS接收機(jī)會(huì)如手表大小。

    2. MEMS和NEMS的發(fā)展特點(diǎn)
    MEMS和NEMS是一種多學(xué)科交叉的技術(shù)，幾乎所有的自然及工程領(lǐng)域都可應(yīng)用和發(fā)展自己的MEMS，如Optical-MEMS、RF-MEMS、Bio-MEMS、Power-MEMS等等。根據(jù)MEMS和NEMS的現(xiàn)狀和發(fā)展，可以大致看出以下一些特點(diǎn)：

    （1）制造技術(shù)是微/納機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)

    經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種微制造技術(shù)：
    a. 以硅表面加工和體加工為主的硅微加工技術(shù)；
    b. 利用X射線深層光刻、電鑄的LIGA工藝；
    c. 傳統(tǒng)的超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展、微細(xì)電火花加工EDM、超聲波加工等等特種微細(xì)加工技術(shù)；
    此外，還包括各種加工技術(shù)的結(jié)合。

    隨著微加工能力的提高，現(xiàn)在微機(jī)械加工的特征尺度正在向納米延伸。硅微加工系統(tǒng)也可達(dá)到納米級(jí)。80年代初出現(xiàn)的納米科技研究的重要手段——掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM），不僅可用于直接觀察原子、分子以及納米粒子的相互作用與特性，表征納米器件，并且作為一種納制造技術(shù)手段，可移動(dòng)原子、分子，構(gòu)造納米結(jié)構(gòu)，在納米尺度研究其相互作用。

    （2）微系統(tǒng)的機(jī)理研究是其創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)。

    隨著尺度向微米級(jí)和納米級(jí)縮小，物體的有些宏觀特性將發(fā)生改變，并會(huì)出現(xiàn)一些新的性質(zhì)。如在MEMS中，經(jīng)典物理學(xué)定律基本適用。但在狹小空間內(nèi)，不同性質(zhì)的物質(zhì)（固、液、熱、生、化）互相耦合，宏觀世界中某些次要的影響因素可能變得重要，在某些條件下，也會(huì)出現(xiàn)介觀效應(yīng)。在NEMS中，納米級(jí)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生新效應(yīng)，如量子效應(yīng)、界面效應(yīng)和納米尺度效應(yīng)等。對(duì)這些新性質(zhì)、新效應(yīng)的深入研究是MEMS和NEMS技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

    （3）需求是發(fā)展的動(dòng)力。

    MEMS和NEMS具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、新功能、可批量生產(chǎn)等傳統(tǒng)器件不具備的優(yōu)點(diǎn)，如果研制的器件和系統(tǒng)具有這些優(yōu)點(diǎn)就會(huì)有良好的應(yīng)用前景。而強(qiáng)勁的需求牽引則是MEMS和NEMS研究得到迅速發(fā)展的原動(dòng)力。

    MEMS和NEMS并不僅是一類新的產(chǎn)品，還構(gòu)筑出一個(gè)微技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用平臺(tái)。在此平臺(tái)上，MEMS和NEMS與不同的技術(shù)結(jié)合，并對(duì)其發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。由于尺度微小和多學(xué)科交叉，MEMS和NEMS也形成了一類新的方法學(xué)。

    3. MEMS和NEMS的器件和系統(tǒng)舉例
    微傳感器件：微傳感器種類很多，所測(cè)量的參數(shù)包括：加速度、壓力、力、觸覺(jué)、流量、磁場(chǎng)、溫度、氣體成分、濕度、pH值、離子濃度和生物濃度等等。典型的微機(jī)械傳感器件包括壓力傳感器、加速度計(jì)和陀螺等。

    微流體器件：微流體器件是另一類重要的MEMS器件。在噴墨打印、芯片冷卻、微型推進(jìn)系統(tǒng)、藥物霧化供給和生物芯片等系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。典型器件如微泵和微閥（如圖4a）、微噴（如圖4b）等。圖5是MEMS發(fā)動(dòng)機(jī)。

    微光學(xué)器件：美國(guó)TI公司利用硅表面微加工工藝開(kāi)發(fā)了數(shù)字微鏡（DMD—Digital Micromirror Device）。其顯示效果超過(guò)液晶投影顯示，可用于高清晰度電視等領(lǐng)域；在Optical MEMS中，光開(kāi)關(guān)和光通訊具有廣泛的發(fā)展前景。圖6為微光開(kāi)關(guān)陣列。

    信息和生物MEMS是MEMS的兩個(gè)重要發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。如：RF MEMS開(kāi)關(guān)、RF MEMS濾波器、RF MEMS振蕩器、電容、電感、傳輸線，以及微型生物傳感器、微流體芯片等等。

    基于MEMS技術(shù)的微能源器件：隨著手機(jī)、筆記本電腦、PDA、微型攝像機(jī)等微型電子產(chǎn)品的普及，迫切要求能源的微型化。微型燃料電池是其中之一。利用MEMS微流體技術(shù)可大幅度提高燃料電池燃料的供給效率，利用MEMS制造技術(shù)可縮小燃料電池的體積，實(shí)現(xiàn)大批量、低成本制作。

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  　微執(zhí)行器和致動(dòng)器：微執(zhí)行器是當(dāng)今MEMS發(fā)展的一個(gè)重要方面，常用的有微電機(jī)、微噴、微開(kāi)關(guān)、微揚(yáng)聲器、微諧振器等。微致動(dòng)的原理有：靜電、壓電、電磁、熱、形狀記憶等多種形式。

    上述有些MEMS器件已實(shí)現(xiàn)了商品化生產(chǎn)，如壓力傳感器、加速度計(jì)、數(shù)字微鏡、微噴和生物芯片等，顯示出良好的市場(chǎng)應(yīng)用潛力。另外，將MEMS器件作為嵌入式系統(tǒng)的組件，如在微型飛行器中使用了基于MEMS的慣性、光學(xué)、通訊和能源等器件。

    NEMS的研究仍處于起步階段，據(jù)估計(jì)NEMS在高靈敏度、小體積、低功耗等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，如靈敏度可提高106，功耗可減小102。

    納生物器件：如圖7，美國(guó)康乃爾大學(xué)的Montemagno博士領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組研制出一種生物分子電機(jī)。該電機(jī)由一個(gè)三磷酸腺苷酶分子（ATP）、一個(gè)金屬鎳制成的槳片（直徑150nm，長(zhǎng)750nm）和一個(gè)金屬鎳柱體（直徑80nm，高200nm）組成，平均速度可達(dá)每秒鐘4.8轉(zhuǎn)，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)40分鐘至2.5小時(shí)。生物分子電機(jī)為進(jìn)一步研制有機(jī)或無(wú)機(jī)的智能納系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。再如美國(guó)喬治亞理工學(xué)院王中林教授等人利用多壁納米碳管研制出納諧振器，通過(guò)其共振頻率的變化可稱出30fg（1fg=10-15g）的碳微粒的質(zhì)量（如圖8）。這種諧振器可做為分子秤檢測(cè)分子或細(xì)菌的質(zhì)量。

    納傳感器件：美國(guó)的S.Vatannia等人對(duì)共振隧穿效應(yīng)進(jìn)行了研究，在普通的隧道間隙間加入一個(gè)共振隧穿位移轉(zhuǎn)換器，在不減小靈敏度和隧道電流的情況下，可提高隧道間隙大約100埃，這不僅大大減小了NEMS系統(tǒng)制造和安裝的難度，也給大幅度提高隧道效應(yīng)傳感器的靈敏度提供了可能；另外，一維或準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)（如碳納米管和納米帶）具有超高的韌性、超高的強(qiáng)度和極靈敏的電導(dǎo)特性。將其制成納米懸臂梁，作為傳感器件的敏感結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度、低功耗檢測(cè)。

    信納息器件：美國(guó)Caltech的Yang、Ekinci等人首次研制了尺度為100nm的SiC-NEMS諧振器件（如圖9），具有高頻（GHZ）、高Q（數(shù)萬(wàn)到十幾萬(wàn)）、低驅(qū)動(dòng)功率（10-12W）、低熱噪聲和高性噪比等優(yōu)點(diǎn)，可滿足射頻通信系統(tǒng)的要求。

    納流體器件：納流體系統(tǒng)的特征尺寸在幾百到幾納米。除了靜水壓力，電場(chǎng)也可以用于在離子導(dǎo)電流體中控制和驅(qū)動(dòng)流體的流動(dòng)或單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)。因此利用納流體器件組成的納流體系統(tǒng)可用于單分子的分析、檢測(cè)。

    目前，MEMS和NEMS的研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，逐漸形成信息（IT）、生物 (Bio)、能源等新方向。并且從單一的MEMS和NEMS器件的研究，發(fā)展為將MEMS和NEMS器件作為嵌入式系統(tǒng)的組件，以提高系統(tǒng)的整體性能和附加值，這方面已有很多成功的例子。

    4. MEMS和NEMS發(fā)展的幾個(gè)問(wèn)題

    （1）MEMS和NEMS的設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化。

    MEMS制作工藝的復(fù)雜性和昂貴使得設(shè)計(jì)者不能不更多的借助于仿真、而不是頻繁的試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)前，一般通過(guò)IC設(shè)計(jì)過(guò)程中的MASK輔助設(shè)計(jì)軟件LEDIT來(lái)完成掩膜版的制作，通過(guò)ANSYS完成對(duì)微結(jié)構(gòu)力學(xué)、電學(xué)等單域或多域耦合分析。現(xiàn)已有多種MEMSCAD商用軟件。MEMSCAD在與微尺寸效應(yīng)及微工藝的結(jié)合方面較ANSYS更有優(yōu)勢(shì)，MEMSCAD另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于其對(duì)微流體分析功能方面明顯高于其它仿真軟件。

    MEMS設(shè)計(jì)過(guò)程同時(shí)也應(yīng)該包括MEMS工藝設(shè)計(jì)過(guò)程。這一方面要求MEMS設(shè)計(jì)者和工藝工程師密切配合，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝的局部調(diào)整兩個(gè)方面完成工藝設(shè)計(jì)；另一方面，也要求MEMS設(shè)計(jì)盡量選用已經(jīng)存在的標(biāo)準(zhǔn)工藝。

    NEMS的特征尺度在亞納米到數(shù)百納米，設(shè)計(jì)、仿真在其研究中所起的作用尤為重要。在一些情況下，經(jīng)典的理論和概念仍然可能提供設(shè)計(jì)和分析的適當(dāng)基礎(chǔ)。但在一般情況下，需要把量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)理論的概念引入納米尺度的分析。例如，對(duì)于隧道效應(yīng)等納效應(yīng)的計(jì)算和仿真需用到薛定諤方程；對(duì)碳納米管齒輪制造過(guò)程的仿真需用到分子動(dòng)力學(xué)（如圖10）。

    （2）Top-down和Bottom-up的結(jié)合，MEMS和NEMS的結(jié)合。

    50年代末，著名的物理學(xué)家——諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者R．Feynman曾指出，科學(xué)技術(shù)發(fā)展的途徑有兩條，一條是“自上而下（Top-down）”的途徑，另一條是“自下而上（Bottom-up）”的途徑。近幾十年來(lái)的主流是“自上而下”的微型化過(guò)程。如目前的MEMS制造基本上采用這種方法。即采用光刻刻蝕等微細(xì)加工方法，將大的材料割小，形成結(jié)構(gòu)或器件，并與電路集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微型化。這種技術(shù)途徑易于批量化和系統(tǒng)集成。

    納器件有兩種制造途徑。一是繼續(xù)發(fā)展Top-down的途徑，如采用電子束光刻已可達(dá)到20 nm線寬。但該方法的限制是，尺寸愈小，成本愈高，偏差愈難維持。另一種為Bottom-up的途徑，是分子、原子組裝技術(shù)的辦法，即把具有特定理化性質(zhì)的功能分子、原子，借助分子、原子內(nèi)的作用力，精細(xì)地組成納米尺度的分子線、膜和其它結(jié)構(gòu)，再由納米結(jié)構(gòu)與功能單元集成為微系統(tǒng)。這種制造技術(shù)反映了納米技術(shù)的一種理念，即從原子和分子的層次上設(shè)計(jì)、組裝材料、器件和系統(tǒng)，是一種很有前途的制造技術(shù)，但目前還只是處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。bottom up有兩種方法：一為自組裝法；二為顯微鏡法。

    與MEMS工藝技術(shù)相比，NEMS的研究涉及更廣范圍的材料和更高空間分辨率的制造工藝，因此，納米制造技術(shù)還處于發(fā)展階段。要充分發(fā)揮Top-down和Bottom-up的優(yōu)勢(shì)，將兩種途徑結(jié)合使用是解決NEMS制造的有效方法（如圖11）。如前面提到的分子電機(jī)，納米槳片利用了電子束蒸發(fā)、電子束刻蝕和各向同性腐蝕等技術(shù)，而裝配則采用了自組裝法。

    （3）基于納效應(yīng)和納米結(jié)構(gòu)的NEMS傳感器是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。

    利用在此特征尺度尺度下物質(zhì)和結(jié)構(gòu)在物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)中的新效應(yīng)、新性質(zhì)，研制NEMS傳感器可能在性能上產(chǎn)生突破，例如：
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    a. 基于共振隧穿、介觀壓阻等納效應(yīng)的NEMS傳感器

    共振隧穿效應(yīng)是在隧穿效應(yīng)的基礎(chǔ)上的一種使電子隧穿幾率增強(qiáng)的機(jī)制。當(dāng)入射電子的動(dòng)能與勢(shì)壘中束縛態(tài)的能級(jí)相匹配時(shí)，會(huì)在勢(shì)壘內(nèi)部發(fā)生干涉加強(qiáng)的現(xiàn)象，使電子的透射率大為增強(qiáng)。共振隧穿效應(yīng)的隧道電流密度的表達(dá)式為：

    其中m*是電子有效質(zhì)量， kB是Boltzmann常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，D(E)是傳輸系數(shù)。

    如果利用

MEMS和NEMS制造技術(shù)，在普通的隧道間隙間加入一個(gè)共振隧穿位移轉(zhuǎn)換器，則在不減小靈敏度和隧道電流的情況下，可提高隧道間隙大約100埃，這給大幅度提高隧道效應(yīng)傳感器的靈敏度提供了可能。這種傳感器的研究涉及共振隧道結(jié)中勢(shì)壘結(jié)構(gòu)和分布對(duì)電子透射系數(shù)的影響，隧道針尖、電極的材料、形狀對(duì)共振隧穿效應(yīng)的影響等問(wèn)題。

    介觀壓阻效應(yīng)不同于宏觀的壓阻效應(yīng)，它是利用納米功能材料的應(yīng)變產(chǎn)生壓電場(chǎng)，壓電場(chǎng)(包括應(yīng)變)導(dǎo)致納米功能材料的量子能級(jí)(能帶) 漂移，從而在納米功能材料共振隧穿(微帶輸運(yùn)) 能級(jí)附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓阻效應(yīng)。介觀壓阻效應(yīng)對(duì)應(yīng)變信號(hào)非常敏感，并可通過(guò)改變勢(shì)壘的結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行人為控制。對(duì)于聲、溫、壓、加速度等信號(hào)，都可成為納米功能材料的應(yīng)變信號(hào)，因此利用介觀壓阻效應(yīng)可制成超高靈敏度的NEMS傳感器。

    b. 基于一維納米結(jié)構(gòu)的NEMS傳感器

    隨著納米材料和新納米結(jié)構(gòu)研究的進(jìn)展，利用納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的獨(dú)特的力、電、熱、光、磁等性能進(jìn)行新型納傳感器件的研究也逐漸成為NEMS研究的一個(gè)熱點(diǎn)。其中以一維納米結(jié)構(gòu)尤為突出?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)三類一維納米結(jié)構(gòu)：納米管、納米線和納米帶。

    碳納米管、納米帶等一維納米結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的力學(xué)性能，用該種結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成納懸臂粱諧振器，當(dāng)外力作用在此諧振器時(shí)，懸臂梁發(fā)生變形，并影響懸臂梁的諧振頻率，通過(guò)檢測(cè)懸臂梁的諧振頻率fn可以感測(cè)外力的大?。?

    其中F為外力，Eb為彈性模量，ρ為密度，D為外徑，Di為內(nèi)徑，L為長(zhǎng)度，βj是模態(tài)常數(shù)。利用該諧振器可制成高靈敏度、超小體積的納慣性器件、高靈敏度分子秤等傳感器。

    碳納米管的電學(xué)性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。電子在碳納米管的徑向運(yùn)動(dòng)受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限域效應(yīng)；而電子在軸向的運(yùn)動(dòng)不受任何限制。因此，可以認(rèn)為碳納米管是一維量子導(dǎo)線。其電壓-電流、形變-電導(dǎo)等特性已不完全符合宏觀的規(guī)律，如圖12、13。對(duì)這些新現(xiàn)象的深入認(rèn)識(shí)和研究將是高精度NEMS傳感器研制的基礎(chǔ)。

    5. 結(jié)束語(yǔ)
    MEMS的發(fā)展只不過(guò)十多年的時(shí)間，但已顯示出強(qiáng)大的生命力，甚至單個(gè)種類的MEMS器件就形成了一個(gè)較大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，如硅微加速度計(jì)，噴墨打印頭，硅微壓力傳感器等。將MEMS器件作為嵌入式系統(tǒng)的組件，以提高系統(tǒng)的整體性能和附加值，這方面已有很多成功的例子。但是作為一個(gè)新興領(lǐng)域，它們從開(kāi)始時(shí)的微電子技術(shù)與微機(jī)械技術(shù)的結(jié)合，發(fā)展到今天的與生物、信息和納米等領(lǐng)域的結(jié)合，不斷形成新的科技發(fā)展前沿，而NEMS的研究還剛剛開(kāi)始，但有人估計(jì)，再過(guò)10年左右時(shí)間，NEMS會(huì)和今天的MEMS一樣流行。