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(shù)的重要組成部分，逐漸形成一個新的技術(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/納機電系統(tǒng)的發(fā)展特點,，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,、集微型機構(gòu)、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(yīng)上具有納米技術(shù)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(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(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?qū)Νh(huán)境具有感知、思考,、決策和反應(yīng)控制能力,。基于新效應(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,。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(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：

(1)制造技術(shù)是微/納機電系統(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(jié)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(shù)手段,，可移動原子、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)的機理研究是其創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ),。

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(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，也會出現(xiàn)介觀效應(yīng),。在NEMS中,，納米級結(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,，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(yīng)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(chǎn)品,，還構(gòu)筑出一個微技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用平臺,。在此平臺上，MEMS和NEMS與不同的技術(shù)結(jié)合,，并對其發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動作用,。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(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、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,，實現(xiàn)大批量,、低成本制作。

微執(zhí)行器和致動器：微執(zhí)行器是當(dāng)今MEMS發(fā)展的一個重要方面,，常用的有微電機,、微噴,、微開關(guān),、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(chǎn),，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(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(zhuǎn),，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(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菌的質(zhì)量,。

納傳感器件：美國的S.Vatannia等人對共振隧穿效應(yīng)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(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(dǎo)電流體中控制和驅(qū)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(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(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(shè)計,、仿真和優(yōu)化,。

MEMS制作工藝的復(fù)雜性和昂貴使得設(shè)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(shè)計,。當(dāng)前,，一般通過IC設(shè)計過程中的MASK輔助設(shè)計軟件LEDIT來完成掩膜版的制作，通過ANSYS完成對微結(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,，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(shè)計過程同時也應(yīng)該包括MEMS工藝設(shè)計過程。這一方面要求MEMS設(shè)計者和工藝工程師密切配合,，從結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝的局部調(diào)整兩個方面完成工藝設(shè)計;另一方面,，也要求MEMS設(shè)計盡量選用已經(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、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)計理論的概念引入納米尺度的分析,。例如，對于隧道效應(yīng)等納效應(yīng)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(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(jié)構(gòu)或器件，并與電路集成,，實現(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,、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(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,，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,，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的機制,。當(dāng)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(nèi)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(yīng)的隧道電流密度的表達式為：

其中m*是電子有效質(zhì)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(shù)，在普通的隧道間隙間加入一個共振隧穿位移轉(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)中勢壘結(jié)構(gòu)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(yīng)的影響等問題,。

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,，壓電場(包括應(yīng)變)導(dǎo)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(chǎn)生強烈的壓阻效應(yīng)。介觀壓阻效應(yīng)對應(yīng)變信號非常敏感,，并可通過改變勢壘的結(jié)構(gòu)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(yīng)變信號,，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)研究的進展,，利用納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尤為突出。現(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，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可以感測外力的大小：

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動受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限域效應(yīng);而電子在軸向的運動不受任何限制,。因此,，可以認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(chǔ)。

5. 結(jié)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,，有人估計，再過10年左右時間,，NEMS會和今天的MEMS一樣流行,。