微機電系統(tǒng)和納機電系統(tǒng)

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

    技術的重要組成部分，逐漸形成一個新的技術領域。MEMS已經在產業(yè)化道路上發(fā)展，NEMS還處于基礎研究階段。

    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、集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、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年代末提出來的一個新概念，是繼MEMS后在系統(tǒng)特征尺寸和效應上具有納米技術特點的一類超小型機電一體的系統(tǒng)，一般指特征尺寸在亞納米～數(shù)百納米、以納米級結構所產生的新效應（量子效應、界面效應和納米尺度效應）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、機電系統(tǒng)的尺度與相應的理論問題。

    MEMS在某種程度上可以看作是集成電路（IC）的擴展。如果IC（微處理器和信號電路）可以比喻作人的大腦和神經網(wǎng)絡，那么MEMS就為這大腦提供了獲取信號的微傳感器和執(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機械元件，就能夠對環(huán)境具有感知、思考、決策和反應控制能力?；谛滦腘EMS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。例如美國正在研究用MEMS或NEMS諧振器代替RF信號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）。未來的UHF（超高頻）通訊/ GPS接收機會如手表大小。

    2. MEMS和NEMS的發(fā)展特點
    MEMS和NEMS是一種多學科交叉的技術，幾乎所有的自然及工程領域都可應用和發(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：

    （1）制造技術是微/納機電系統(tǒng)發(fā)展的基礎

    經過十幾年的發(fā)展，已經開發(fā)出多種微制造技術：
    a. 以硅表面加工和體加工為主的硅微加工技術；
    b. 利用X射線深層光刻、電鑄的LIGA工藝；
    c. 傳統(tǒng)的超精密機械加工技術的發(fā)展、微細電火花加工EDM、超聲波加工等等特種微細加工技術；
    此外，還包括各種加工技術的結合。

    隨著微加工能力的提高，現(xiàn)在微機械加工的特征尺度正在向納米延伸。硅微加工系統(tǒng)也可達到納米級。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手段，可移動原子、分子，構造納米結構，在納米尺度研究其相互作用。

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

    隨著尺度向微米級和納米級縮小，物體的有些宏觀特性將發(fā)生改變，并會出現(xiàn)一些新的性質。如在MEMS中，經典物理學定律基本適用。但在狹小空間內，不同性質的物質（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，也會出現(xiàn)介觀效應。在NEMS中，納米級結構將產生新效應，如量子效應、界面效應和納米尺度效應等。對這些新性質、新效應的深入研究是MEMS和NEMS技術發(fā)展的關鍵。

    （3）需求是發(fā)展的動力。

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

    MEMS和NEMS并不僅是一類新的產品，還構筑出一個微技術發(fā)展和應用平臺。在此平臺上，MEMS和NEMS與不同的技術結合，并對其發(fā)展產生巨大的推動作用。由于尺度微小和多學科交叉，MEMS和NEMS也形成了一類新的方法學。

    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，所測量的參數(shù)包括：加速度、壓力、力、觸覺、流量、磁場、溫度、氣體成分、濕度、pH值、離子濃度和生物濃度等等。典型的微機械傳感器件包括壓力傳感器、加速度計和陀螺等。

    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、微型推進系統(tǒng)、藥物霧化供給和生物芯片等系統(tǒng)中有廣泛的應用。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)動機。

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

    信息和生物MEMS是MEMS的兩個重要發(fā)展方向，具有廣闊的應用前景和市場。如：RF MEMS開關、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技術的微能源器件：隨著手機、筆記本電腦、PDA、微型攝像機等微型電子產品的普及，迫切要求能源的微型化。微型燃料電池是其中之一。利用MEMS微流體技術可大幅度提高燃料電池燃料的供給效率，利用MEMS制造技術可縮小燃料電池的體積，實現(xiàn)大批量、低成本制作。

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  　微執(zhí)行器和致動器：微執(zhí)行器是當今MEMS發(fā)展的一個重要方面，常用的有微電機、微噴、微開關、微揚聲器、微諧振器等。微致動的原理有：靜電、壓電、電磁、熱、形狀記憶等多種形式。

    上述有些MEMS器件已實現(xiàn)了商品化生產，如壓力傳感器、加速度計、數(shù)字微鏡、微噴和生物芯片等，顯示出良好的市場應用潛力。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、通訊和能源等器件。

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

    納生物器件：如圖7，美國康乃爾大學的Montemagno博士領導的一個研究小組研制出一種生物分子電機。該電機由一個三磷酸腺苷酶分子（ATP）、一個金屬鎳制成的槳片（直徑150nm，長750nm）和一個金屬鎳柱體（直徑80nm，高200nm）組成，平均速度可達每秒鐘4.8轉，運行時間長達40分鐘至2.5小時。生物分子電機為進一步研制有機或無機的智能納系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。再如美國喬治亞理工學院王中林教授等人利用多壁納米碳管研制出納諧振器，通過其共振頻率的變化可稱出30fg（1fg=10-15g）的碳微粒的質量（如圖8）。這種諧振器可做為分子秤檢測分子或細菌的質量。

    納傳感器件：美國的S.Vatannia等人對共振隧穿效應進行了研究，在普通的隧道間隙間加入一個共振隧穿位移轉換器，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傳感器的靈敏度提供了可能；另外，一維或準一維納米結構（如碳納米管和納米帶）具有超高的韌性、超高的強度和極靈敏的電導特性。將其制成納米懸臂梁，作為傳感器件的敏感結構，可實現(xiàn)高靈敏度、低功耗檢測。

    信納息器件：美國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)萬到十幾萬）、低驅動功率（10-12W）、低熱噪聲和高性噪比等優(yōu)點，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，電場也可以用于在離子導電流體中控制和驅動流體的流動或單個分子的運動。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。

    目前，MEMS和NEMS的研究領域不斷擴展，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)展的幾個問題

    （1）MEMS和NEMS的設計、仿真和優(yōu)化。

    MEMS制作工藝的復雜性和昂貴使得設計者不能不更多的借助于仿真、而不是頻繁的試驗來優(yōu)化設計。當前，一般通過IC設計過程中的MASK輔助設計軟件LEDIT來完成掩膜版的制作，通過ANSYS完成對微結構力學、電學等單域或多域耦合分析?，F(xiàn)已有多種MEMSCAD商用軟件。MEMSCAD在與微尺寸效應及微工藝的結合方面較ANSYS更有優(yōu)勢，MEMSCAD另一個優(yōu)點在于其對微流體分析功能方面明顯高于其它仿真軟件。

    MEMS設計過程同時也應該包括MEMS工藝設計過程。這一方面要求MEMS設計者和工藝工程師密切配合，從結構設計和工藝的局部調整兩個方面完成工藝設計；另一方面，也要求MEMS設計盡量選用已經存在的標準工藝。

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

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

    50年代末，著名的物理學家——諾貝爾物理學獎獲得者R．Feynman曾指出，科學技術發(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。近幾十年來的主流是“自上而下”的微型化過程。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加工方法，將大的材料割小，形成結構或器件，并與電路集成，實現(xiàn)系統(tǒng)微型化。這種技術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、原子組裝技術的辦法，即把具有特定理化性質的功能分子、原子，借助分子、原子內的作用力，精細地組成納米尺度的分子線、膜和其它結構，再由納米結構與功能單元集成為微系統(tǒng)。這種制造技術反映了納米技術的一種理念，即從原子和分子的層次上設計、組裝材料、器件和系統(tǒng)，是一種很有前途的制造技術，但目前還只是處于實驗室研究階段。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，納米制造技術還處于發(fā)展階段。要充分發(fā)揮Top-down和Bottom-up的優(yōu)勢，將兩種途徑結合使用是解決NEMS制造的有效方法（如圖11）。如前面提到的分子電機，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，而裝配則采用了自組裝法。

    （3）基于納效應和納米結構的NEMS傳感器是一個重要的研究領域。

    利用在此特征尺度尺度下物質和結構在物理學、化學和生物學中的新效應、新性質，研制NEMS傳感器可能在性能上產生突破，例如：
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    a. 基于共振隧穿、介觀壓阻等納效應的NEMS傳感器

    共振隧穿效應是在隧穿效應的基礎上的一種使電子隧穿幾率增強的機制。當入射電子的動能與勢壘中束縛態(tài)的能級相匹配時，會在勢壘內部發(fā)生干涉加強的現(xiàn)象，使電子的透射率大為增強。共振隧穿效應的隧道電流密度的表達式為：

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

    如果利用

MEMS和NEMS制造技術，在普通的隧道間隙間加入一個共振隧穿位移轉換器，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中勢壘結構和分布對電子透射系數(shù)的影響，隧道針尖、電極的材料、形狀對共振隧穿效應的影響等問題。

    介觀壓阻效應不同于宏觀的壓阻效應，它是利用納米功能材料的應變產生壓電場，壓電場(包括應變)導致納米功能材料的量子能級(能帶) 漂移，從而在納米功能材料共振隧穿(微帶輸運) 能級附近產生強烈的壓阻效應。介觀壓阻效應對應變信號非常敏感，并可通過改變勢壘的結構對其進行人為控制。對于聲、溫、壓、加速度等信號，都可成為納米功能材料的應變信號，因此利用介觀壓阻效應可制成超高靈敏度的NEMS傳感器。

    b. 基于一維納米結構的NEMS傳感器

    隨著納米材料和新納米結構研究的進展，利用納米結構表現(xiàn)出的獨特的力、電、熱、光、磁等性能進行新型納傳感器件的研究也逐漸成為NEMS研究的一個熱點。其中以一維納米結構尤為突出。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)三類一維納米結構：納米管、納米線和納米帶。

    碳納米管、納米帶等一維納米結構具有獨特的力學性能，用該種結構可以構成納懸臂粱諧振器，當外力作用在此諧振器時，懸臂梁發(fā)生變形，并影響懸臂梁的諧振頻率，通過檢測懸臂梁的諧振頻率fn可以感測外力的大?。?

    其中F為外力，Eb為彈性模量，ρ為密度，D為外徑，Di為內徑，L為長度，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。

    碳納米管的電學性質與其結構密切相關。電子在碳納米管的徑向運動受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限域效應；而電子在軸向的運動不受任何限制。因此，可以認為碳納米管是一維量子導線。其電壓-電流、形變-電導等特性已不完全符合宏觀的規(guī)律，如圖12、13。對這些新現(xiàn)象的深入認識和研究將是高精度NEMS傳感器研制的基礎。

    5. 結束語
    MEMS的發(fā)展只不過十多年的時間，但已顯示出強大的生命力，甚至單個種類的MEMS器件就形成了一個較大規(guī)模的產業(yè)，如硅微加速度計，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。但是作為一個新興領域，它們從開始時的微電子技術與微機械技術的結合，發(fā)展到今天的與生物、信息和納米等領域的結合，不斷形成新的科技發(fā)展前沿，而NEMS的研究還剛剛開始，但有人估計，再過10年左右時間，NEMS會和今天的MEMS一樣流行。