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微/纳机电系统
摘要：微机电系统（MEMS）和纳机电系统（NEMS）是微米/纳米技术的重要组成部分。MEMS已在产业化道路上发展，NEMS还处于基础研究阶段。本文分析了微/纳机电系统的发展特点，简要地介绍了典型的MEMS和NEMS器件和系统后，讨论了MEMS和NEMS发展中的几个问题和MEMS和NEMS的发展前景。
关键词：微机电系统（MEMS）纳机电系统（NEMS）微米纳米技术
1.引言
微机电系统（MEMS）和纳机电系统（NEMS）是微米/纳米技术的重要组成部分，逐渐形成一个新的技术领域。MEMS已经在产业化道路上发展，NEMS还处于基础研究阶段。
从微小化和集成化的角度，MEMS（或称微系统）指可批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。而NEMS（或称纳系统）是90年代末提出来的一个新概念，是继MEMS后在系统特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型机电一体的系统，一般指特征尺寸在亚纳米～数百纳米、以纳米级结构所产生的新效应（量子效应、界面效应和纳米尺度效应）为工作特征的器件和系统。图1给出了MEMS和NEMS的特征尺度、机电系统的尺度与相应的理论问题。
MEMS在某种程度上可以看作是集成电路（IC）的扩展。如果IC（微处理器和信号电路）可以比喻作人的大脑和神经网络，那么MEMS就为这大脑提供了获取信号的微传感器和执行命令的微执行器，如在电路上加入诸如薄膜、梁、弹簧和齿轮等MEMS机械元件，就能够对环境具有感知、思考、决策和反应控制能力。基于新效应的NEMS器件具有更高的灵敏度、更低的功耗、更小的体积。因此，如果将MEMS、NENS和IC高密度地集成在一块很小的体积中，组成的智能微/纳机电系统，将提高系统信息处理能力和集成度，降低功耗和体积。例如美国正在研究用MEMS或NEMS谐振器代替RF信号处理器片外的电感和电容，使其尺寸减小100倍（从80cm2减小到0.8cm2以下），功耗减小100倍（从300mW减小到0.83mW以下），RF性能（效率和带宽）提高10倍（如图2）。未来的UHF（超高频）通讯/GPS接收机会如手表大小。
2.MEMS和NEMS的发展特点
MEMS和NEMS是一种多学科交叉的技术，几乎所有的自然及工程领域都可应用和发展自己的MEMS，如Optical-MEMS、RF-MEMS、Bio-MEMS、Power-MEMS等等。根据MEMS和NEMS的现状和发展，可以大致看出以下一些特点：
（1）制造技术是微/纳机电系统发展的基础
经过十几年的发展，已经开发出多种微制造技术：
a.以硅表面加工和体加工为主的硅微加工技术；b.利用X射线深层光刻、电铸的LIGA工艺；c.传统的超精密机械加工技术的发展、微细电火花加工EDM、超声波加工等等特种微细加工技术；此外，还包括各种加工技术的结合。
随着微加工能力的提高，现在微机械加工的特征尺度正在向纳米延伸。硅微加工系统也可达到纳米级。80年代初出现的纳米科技研究的重要手段——扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM），不仅可用于直接观察原子、分子以及纳米粒子的相互作用与特性，表征纳米器件，并且作为一种纳制造技术手段，可移动原子、分子，构造纳米结构，在纳米尺度研究其相互作用。
（2）微系统的机理研究是其创新发展的基础。
随着尺度向微米级和纳米级缩小，物体的有些宏观特性将发生改变，并会出现一些新的性质。如在MEMS中，经典物理学定律基本适用。但在狭小空间内，不同性质的物质（固、液、热、生、化）互相耦合，宏观世界中某些次要的影响因素可能变得重要，在某些条件下，也会出现介观效应。在NEMS中，纳米级结构将产生新效应，如量子效应、界面效应和纳米尺度效应等。对这些新性质、新效应的深入研究是MEMS和NEMS技术发展的关键。
（3）需求是发展的动力。
MEMS和NEMS具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、新功能、可批量生产等传统器件不具备的优点，如果研制的器件和系统具有这些优点就会有良好的应用前景。而强劲的需求牵引则是MEMS和NEMS研究得到迅速发展的原动力。
MEMS和NEMS并不仅是一类新的产品，还构筑出一个微技术发展和应用平台。在此平台上，MEMS和NEMS与不同的技术结合，并对其发展产生巨大的推动作用。由于尺度微小和多学科交叉，MEMS和NEMS也形成了一类新的方法学。
3.MEMS和NEMS的器件和系统举例
微传感器件：微传感器种类很多，所测量的参数包括：加速度、压力、力、触觉、流量、磁场、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度和生物浓度等等。典型的微机械传感器件包括压力传感器、加速度计和陀螺等。
微流体器件：微流体器件是另一类重要的MEMS器件。在喷墨打印、芯片冷却、微型推进系统、药物雾化供给和生物芯片等系统中有广泛的应用。典型器件如微泵和微阀（如图4a）、微喷（如图4b）等。图5是MEMS发动机。
微光学器件：美国TI公司利用硅表面微加工工艺开发了数字微镜（DMD—DigitalMicromirrorDevice）。其显示效果超过液晶投影显示，可用于高清晰度电视等领域；在OpticalMEMS中，光开关和光通讯具有广泛的发展前景。图6为微光开关阵列。
信息和生物MEMS是MEMS的两个重要发展方向，具有广阔的应用前景和市场。如：RFMEMS开关、RFMEMS滤波器、RFMEMS振荡器、电容、电感、传输线，以及微型生物传感器、微流体芯片等等。
基于MEMS技术的微能源器件：随着手机、笔记本电脑、PDA、微型摄像机等微型电子产品的普及，迫切要求能源的微型化。微型燃料电池是其中之一。利用MEMS微流体技术可大幅度提高燃料电池燃料的供给效率，利用MEMS制造技术可缩小燃料电池的体积，实现大批量、低成本制作。
微执行器和致动器：微执行器是当今MEMS发展的一个重要方面，常用的有微电机、微喷、微开关、微扬声器、微谐振器等。微致动的原理有：静电、压电、电磁、热、形状记忆等多种形式。
上述有些MEMS器件已实现了商品化生产，如压力传感器、加速度计、数字微镜、微喷和生物芯片等，显示出良好的市场应用潜力。另外，将MEMS器件作为嵌入式系统的组件，如在微型飞行器中使用了基于MEMS的惯性、光学、通讯和能源等器件。
NEMS的研究仍处于起步阶段，据估计NEMS在高灵敏度、小体积、低功耗等方面具有显著的优势，如灵敏度可提高106，功耗可减小102。
纳生物器件：如图7，美国康乃尔大学的Montemagno博士领导的一个研究小组研制出一种生物分子电机。该电机由一个三磷酸腺苷酶分子（ATP）、一个金属镍制成的桨片（直径150nm，长750nm）和一个金属镍柱体（直径80nm，高200nm）组成，平均速度可达每秒钟4.8转，运行时间长达40分钟至2.5小时。生物分子电机为进一步研制有机或无机的智能纳系统创造了条件。再如美国乔治亚理工学院王中林教授等人利用多壁纳米碳管研制出纳谐振器，通过其共振频率的变化可称出30fg（1fg=10-15g）的碳微粒的质量（如图8）。这种谐振器可做为分子秤检测分子或细菌的质量。
纳传感器件：美国的S.Vatannia等人对共振隧穿效应进行了研究，在普通的隧道间隙间加入一个共振隧穿位移转换器，在不减小灵敏度和隧道电流的情况下，可提高隧道间隙大约100埃，这不仅大大减小了NEMS系统制造和安装的难度，也给大幅度提高隧道效应传感器的灵敏度提供了可能；另外，一维或准一维纳米结构（如碳纳米管和纳米带）具有超高的韧性、超高的强度和极灵敏的电导特性。将其制成纳米悬臂梁，作为传感器件的敏感结构，可实现高灵敏度、低功耗检测。
信纳息器件：美国Caltech的Yang、Ekinci等人首次研制了尺度为100nm的SiC-NEMS谐振器件（如图9），具有高频（GHZ）、高Q（数万到十几万）、低驱动功率（10-12W）、低热噪声和高性噪比等优点，可满足射频通信系统的要求。
纳流体器件：纳流体系统的特征尺寸在几百到几纳米。除了静水压力，电场也可以用于在离子导电流体中控制和驱动流体的流动或单个分子的运动。因此利用纳流体器件组成的纳流体系统可用于单分子的分析、检测。
目前，MEMS和NEMS的研究领域不断扩展，逐渐形成信息（IT）、生物(Bio)、能源等新方向。并且从单一的MEMS和NEMS器件的研究，发展为将MEMS和NEMS器件作为嵌入式系统的组件，以提高系统的整体性能和附加值，这方面已有很多成功的例子。
4.MEMS和NEMS发展的几个问题
（1）MEMS和NEMS的设计、仿真和优化。
MEMS制作工艺的复杂性和昂贵使得设计者不能不更多的借助于仿真、而不是频繁的试验来优化设计。当前，一般通过IC设计过程中的MASK辅助设计软件LEDIT来完成掩膜版的制作，通过ANSYS完成对微结构力学、电学等单域或多域耦合分析。现已有多种MEMSCAD商用软件。MEMSCAD在与微尺寸效应及微工艺的结合方面较ANSYS更有优势，MEMSCAD另一个优点在于其对微流体分析功能方面明显高于其它仿真软件。
MEMS设计过程同时也应该包括MEMS工艺设计过程。这一方面要求MEMS设计者和工艺工程师密切配合，从结构设计和工艺的局部调整两个方面完成工艺设计；另一方面，也要求MEMS设计尽量选用已经存在的标准工艺。
NEMS的特征尺度在亚纳米到数百纳米，设计、仿真在其研究中所起的作用尤为重要。在一些情况下，经典的理论和概念仍然可能提供设计和分析的适当基础。但在一般情况下，需要把量子力学和统计理论的概念引入纳米尺度的分析。例如，对于隧道效应等纳效应的计算和仿真需用到薛定谔方程；对碳纳米管齿轮制造过程的仿真需用到分子动力学（如图10）。
（2）Top-down和Bottom-up的结合，MEMS和NEMS的结合。
50年代末，著名的物理学家——诺贝尔物理学奖获得者R．Feynman曾指出，科学技术发展的途径有两条，一条是“自上而下（Top-down）”的途径，另一条是“自下而上（Bottom-up）”的途径。近几十年来的主流是“自上而下”的微型化过程。如目前的MEMS制造基本上采用这种方法。即采用光刻刻蚀等微细加工方法，将大的材料割小，形成结构或器件，并与电路集成，实现系统微型化。这种技术途径易于批量化和系统集成。
纳器件有两种制造途径。一是继续发展Top-down的途径，如采用电子束光刻已可达到20nm线宽。但该方法的限制是，尺寸愈小，成本愈高，偏差愈难维持。另一种为Bottom-up的途径，是分子、原子组装技术的办法，即把具有特定理化性质的功能分子、原子，借助分子、原子内的作用力，精细地组成纳米尺度的分子线、膜和其它结构，再由纳米结构与功能单元集成为微系统。这种制造技术反映了纳米技术的一种理念，即从原子和分子的层次上设计、组装材料、器件和系统，是一种很有前途的制造技术，但目前还只是处于实验室研究阶段。bottomup有两种方法：一为自组装法；二为显微镜法。
与MEMS工艺技术相比，NEMS的研究涉及更广范围的材料和更高空间分辨率的制造工艺，因此，纳米制造技术还处于发展阶段。要充分发挥Top-down和Bottom-up的优势，将两种途径结合使用是解决NEMS制造的有效方法（如图11）。如前面提到的分子电机，纳米桨片利用了电子束蒸发、电子束刻蚀和各向同性腐蚀等技术，而装配则采用了自组装法。
（3）基于纳效应和纳米结构的NEMS传感器是一个重要的研究领域。
利用在此特征尺度尺度下物质和结构在物理学、化学和生物学中的新效应、新性质，研制NEMS传感器可能在性能上产生突破，例如：
a.基于共振隧穿、介观压阻等纳效应的NEMS传感器
共振隧穿效应是在隧穿效应的基础上的一种使电子隧穿几率增强的机制。当入射电子的动能与势垒中束缚态的能级相匹配时，会在势垒内部发生干涉加强的现象，使电子的透射率大为增强。共振隧穿效应的隧道电流密度的表达式为：
其中m*是电子有效质量，kB是Boltzmann常数，T是绝对温度，D(E)是传输系数。
如果利用MEMS和NEMS制造技术，在普通的隧道间隙间加入一个共振隧穿位移转换器，则在不减小灵敏度和隧道电流的情况下，可提高隧道间隙大约100埃，这给大幅度提高隧道效应传感器的灵敏度提供了可能。这种传感器的研究涉及共振隧道结中势垒结构和分布对电子透射系数的影响，隧道针尖、电极的材料、形状对共振隧穿效应的影响等问题。
介观压阻效应不同于宏观的压阻效应，它是利用纳米功能材料的应变产生压电场，压电场(包括应变)导致纳米功能材料的量子能级(能带)漂移，从而在纳米功能材料共振隧穿(微带输运)能级附近产生强烈的压阻效应。介观压阻效应对应变信号非常敏感，并可通过改变势垒的结构对其进行人为控制。对于声、温、压、加速度等信号，都可成为纳米功能材料的应变信号，因此利用介观压阻效应可制成超高灵敏度的NEMS传感器。
b.基于一维纳米结构的NEMS传感器
随着纳米材料和新纳米结构研究的进展，利用纳米结构表现出的独特的力、电、热、光、磁等性能进行新型纳传感器件的研究也逐渐成为NEMS研究的一个热点。其中以一维纳米结构尤为突出。现已发现三类一维纳米结构：纳米管、纳米线和纳米带。
碳纳米管、纳米带等一维纳米结构具有独特的力学性能，用该种结构可以构成纳悬臂粱谐振器，当外力作用在此谐振器时，悬臂梁发生变形，并影响悬臂梁的谐振频率，通过检测悬臂梁的谐振频率fn可以感测外力的大小：
其中F为外力，Eb为弹性模量，ρ为密度，D为外径，Di为内径，L为长度，βj是模态常数。利用该谐振器可制成高灵敏度、超小体积的纳惯性器件、高灵敏度分子秤等传感器。
碳纳米管的电学性质与其结构密切相关。电子在碳纳米管的径向运动受到限制，表现出典型的量子限域效应；而电子在轴向的运动不受任何限制。因此，可以认为碳纳米管是一维量子导线。其电压-电流、形变-电导等特性已不完全符合宏观的规律，如图12、13。对这些新现象的深入认识和研究将是高精度NEMS传感器研制的基础。
5.结束语
MEMS的发展只不过十多年的时间，但已显示出强大的生命力，甚至单个种类的MEMS器件就形成了一个较大规模的产业，如硅微加速度计，喷墨打印头，硅微压力传感器等。将MEMS器件作为嵌入式系统的组件，以提高系统的整体性能和附加值，这方面已有很多成功的例子。但是作为一个新兴领域，它们从开始时的微电子技术与微机械技术的结合，发展到今天的与生物、信息和纳米等领域的结合，不断形成新的科技发展前沿，而NEMS的研究还刚刚开始，但有人估计，再过10年左右时间，NEMS会和今天的MEMS一样流行。