微/納機電系統發(fā)展特點(diǎn)及前景

1.引言

微機電系統(MEMS)和納機電系統(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還處于基礎研究階段。本文分析了微/納機電系統的發(fā)展特點(diǎn)，簡(jiǎn)要地介紹了典型的MEMS和NEMS器件和系統后，討論了MEMS和NEMS發(fā)展中的幾個(gè)問(wèn)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(chēng)微系統)指可批量制作的、集微型機構、微型傳感器、微型執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。而NEMS(或稱(chēng)納系統)是90年代末提出來(lái)的一個(gè)新概念，是繼MEMS后在系統特征尺寸和效應上具有納米技術(shù)特點(diǎn)的一類(lèi)超小型機電一體的系統，一般指特征尺寸在亞納米～數百納米、以納米級結構所產(chǎn)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。

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(jīng)網(wǎng)絡(luò )，那么MEMS就為這大腦提供了獲取信號的微傳感器和執行命令的微執行器，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，將提高系統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。未來(lái)的UHF(超高頻)通訊/ GPS接收機會(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)域都可應用和發(fā)展自己的MEMS，如Optical-MEMS、RF-MEMS、Bio-MEMS、Power-MEMS等等。根據MEMS和NEMS的現狀和發(fā)展，可以大致看出以下一些特點(diǎn)：

(1)制造技術(shù)是微/納機電系統發(fā)展的基礎

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(xiàn)深層光刻、電鑄的LIGA工藝;c. 傳統的超精密機械加工技術(shù)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(shù);此外，還包括各種加工技術(shù)的結合。

隨著(zhù)微加工能力的提高，現在微機械加工的特征尺度正在向納米延伸。硅微加工系統也可達到納米級。80年代初出現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(guān)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，構造納米結構，在納米尺度研究其相互作用。

(2)微系統的機理研究是其創(chuàng )新發(fā)展的基礎。

隨著(zhù)尺度向微米級和納米級縮小，物體的有些宏觀(guān)特性將發(fā)生改變，并會(huì )出現一些新的性質(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，不同性質(zhì)的物質(zhì)(固、液、熱、生、化)互相耦合，宏觀(guān)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 )出現介觀(guān)效應。在NEMS中，納米級結構將產(chǎn)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(zhì)、新效應的深入研究是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)等傳統器件不具備的優(yōu)點(diǎn)，如果研制的器件和系統具有這些優(yōu)點(diǎn)就會(huì )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(dòng)力。

MEMS和NEMS并不僅是一類(lèi)新的產(chǎn)品，還構筑出一個(gè)微技術(shù)發(fā)展和應用平臺。在此平臺上，MEMS和NEMS與不同的技術(shù)結合，并對其發(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(lèi)新的方法學(xué)。

3. MEMS和NEMS的器件和系統舉例

微傳感器件：微傳感器種類(lèi)很多，所測量的參數包括：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(lèi)重要的MEMS器件。在噴墨打印、芯片冷卻、微型推進(jìn)系統、藥物霧化供給和生物芯片等系統中有廣泛的應用。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(kāi)發(fā)了數字微鏡(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(xiàn)，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(zhù)手機、筆記本電腦、PDA、微型攝像機等微型電子產(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)現大批量、低成本制作。

微執行器和致動(dòng)器：微執行器是當今MEMS發(fā)展的一個(gè)重要方面，常用的有微電機、微噴、微開(kāi)關(guān)、微揚聲器、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)現了商品化生產(chǎn)，如壓力傳感器、加速度計、數字微鏡、微噴和生物芯片等，顯示出良好的市場(chǎng)應用潛力。另外，將MEMS器件作為嵌入式系統的組件，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，據估計NEMS在高靈敏度、小體積、低功耗等方面具有顯著(zhù)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)導的一個(gè)研究小組研制出一種生物分子電機。該電機由一個(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(cháng)750nm)和一個(gè)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(shí)間長(cháng)達40分鐘至2.5小時(shí)。生物分子電機為進(jìn)一步研制有機或無(wú)機的智能納系統創(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(guò)其共振頻率的變化可稱(chēng)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菌的質(zhì)量。

納傳感器件：美國的S.Vatannia等人對共振隧穿效應進(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(shí)現高靈敏度、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(數萬(wàn)到十幾萬(wàn))、低驅動(dòng)功率(10-12W)、低熱噪聲和高性噪比等優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足射頻通信系統的要求。

納流體器件：納流體系統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電流體中控制和驅動(dòng)流體的流動(dòng)或單個(gè)分子的運動(dòng)。因此利用納流體器件組成的納流體系統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的組件，以提高系統的整體性能和附加值，這方面已有很多成功的例子。