微/納機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展特點(diǎn)及前景

　　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。本文分析了微/納機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)，簡要地介紹了典型的MEMS和NEMS器件和系統(tǒng)后，討論了MEMS和NEMS發(fā)展中的幾個(gè)問題和MEMS和NEMS的發(fā)展前景。

　　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)。

　　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。未來的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)過十幾年的發(fā)展，已經(jīng)開發(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(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微噴等。

　　微光學(xué)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(lǐng)域;在Optical MEMS中，光開關(guān)和光通訊具有廣泛的發(fā)展前景。圖6為微光開關(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。如：RF MEMS開關(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。

　　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，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(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)或無機(jī)的智能納系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。再如美國喬治亞理工學(xué)院王中林教授等人利用多壁納米碳管研制出納諧振器，通過其共振頻率的變化可稱出30fg(1fg=10-15g)的碳微粒的質(zhì)量。這種諧振器可做為分子秤檢測分子或細(xì)菌的質(zhì)量。

　　納傳感器件：美國的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。

　　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，具有高頻(GHZ)、高Q(數(shù)萬到十幾萬)、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。

　　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。