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(jiǎn)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(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(lái)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(guó)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(lái)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(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(cè)量的參數(shù)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(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(guó)TI公司利用硅表面微加工工藝開(kāi)發(fā)了數(shù)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(yīng)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,,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(kāi)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(chǎng)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(shì),如靈敏度可提高106,,功耗可減小102,。
納生物器件:如圖7,美國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)機(jī)的智能納系統(tǒng)創(chuàng)造了條件,。再如美國(guó)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(cè)分子或細(xì)菌的質(zhì)量,。
納傳感器件:美國(guó)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(cè),。
信納息器件:美國(guó)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(wàn)到十幾萬(wàn))、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(chǎng)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(cè),。
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,。
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?,F(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?,F(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?。?br />
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,。