微/納機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展特點(diǎn)及前景

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)。

(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：

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。現(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)外力的大小：

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。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，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。