微纳米机电系统

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1、微纳机电系统微/纳米科学与技术是当今集机械工程、仪器科学与技术、光学工程、生物 医学工程与微电子工程所产生的新兴、边缘、交叉前沿学科技术。微/纳米系统 技术是以微机电系统为研究核心，以纳米机电系统为深入发展方向，并涉及相关 微型化技术的国家战略高新技术。微机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS ) 和纳机电系统 (Nano Electro Mechanical System, 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。一、引言从微小化和集成化的角度，

2、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到数百纳米，以纳米级结构所产 生的新效应 (量子效应、接口效应和纳米尺度效应) 为工作特征的器件和系统。二、纳米系统的意义、应用前景微纳系统的意义应用前景由于微 /纳机电系统是一门新兴的交叉和边缘 学科，学科还处于技术发展阶段， 在国内外尚未形成绝对的学科和技术优势；微 /

3、纳米技术还是一项支撑技术，它对应用背景有较强的依赖性，目前它的主要应 用领域在惯导器件、 军事侦察、 通信和生物医学领域， 以及微型飞机和纳米卫星 等产品上。 2.1 .重要的理论意义和深远的社会影响 微/纳米系统技术是与其它广泛学科具有互动作用的重要的综合技术，涉及 学科领域广泛。微 /纳米系统技术是认识和改造微观世界的高新技术，微/纳米系 统是结构集成化、功能智能化的产物。微/纳米系统表现出的智能化程度高、实 现的功能趋于多样化。例如，微机电系统不仅涉及到微电子学、微机械学、微光 学、微动力学、微流体学、微热力学、材料学、物理学、化学和生物学等广泛学 科领域，而且会涉及从材料、设计、制造、

4、控制、能源直到测试、集成、封装等 一系列的技术环节。 微/纳米系统技术的发展以之为基础，反过来也将带动相关学科和技术的发 展。世界上著名的大学，如美国麻省工学院、加州大学伯克利分校、卡麦基隆大 学，以及圣地亚国家实验室等无不把发展微/纳米技术作为重要的研究方面。我 国一些著名大学尽管研究方向侧重不一，但也无一例外地重点发展微/纳米技术， 实现学科群跨越式发展。 2.2 巨大的经济效益巨大的经济效益 微机电系统在美、欧、日等发达国家已经形成了一个新兴产业，仅美国微 机电系统 2005 年的商业产值预计可达650 亿美元。以控制汽车安全气囊展开的 微加速度计为例， 估计未来几年内， 由分立组件构成

5、的传统加速度计将全部被微 加速度计所代替。 传统加速度计的单件成本超过50 美元，而基于 MEMS 技术的 同类微加速度计的单件成本仅为5 到 10 美元。相比之下，微加速度计更小、更 轻、更可靠，功能更趋于完善。2.3 国防建设的要求国防建设的要求 现代军事装备正朝着微型化、 集成化、高精度方向发展， 微机电系统充分适 应了这一趋势， 特别是在活动空间狭小， 操作精度要求高， 功能高度集成的航空 航天等领域有广阔的应用潜力。 微型飞机 ( UAV)在未来战争中日益显示出特殊地 位，成为最具发展潜力的现代作战武器之一；利用微机械数组进行机翼流体状态 检测，并通过微致动来实现宏观飞行控制有望改变

6、传统飞机的模式，并改善其机 动性能；微型喷射技术可以有效地实现导弹、卫星等航空航天飞行器的飞行姿态 控制和调整。 在领海内布撒微型传感器形成动态监测网络系统，可以监测敌船活 动。在核研究领域，核材料的用量和配比必须精确把握，微量泵、微型传感器等 可发挥重要作用，还可用MEMS 技术制作引信和开关等。 纳米技术的发展也将带动军事技术的变革。世界各主要军事大国相继制定了 名目繁多的军用纳米技术开发计划。 美国开发纳米技术的经费中有一半左右来自 国防部系统。 与传统武器相比， 纳米武器具有许多不同的特点与超常性能武器装 备系统超微型化、高度智能化；以神经系统为主要打击目标。成本低、体积小， 可大量使

7、用。 2.4 应用前景应用前景应用前景应用前景 自 80 年代末美国首先出现直径为100m 的静电微电机以来， 微机电系统研 究迅猛发展，各种微驱动器、微传感器、微控制器以及微机器人相继问世，且各 种机构趋于高度集成， 形成相对完备的微机电系统， 整个系统的尺寸缩小到几毫 米甚至几百微米。微机电系统在国防、工业、航空航天、生物医学、精密仪表、 通信、汽车、环保、生物工程和自动化等领域具有广阔应用前景。具体应用类型 有: 1) 生物医学领域 : 在此领域内已开发出对细胞进行操作的许多微机械, 如微 对象的操作台、微夹钳等。还可利用植入式机器人对人体内脏和血管进行送药、 诊断和手术等操作。 以分子

8、自组装为基础制造的生物分子器件是一种完全抛弃以 硅半导体为基础的电子器件。 将一种蛋白质选作生物芯片， 利用蛋白质可制成各 种生物分子器件，如开关器件、逻辑电路、存储器、传感器以及蛋白质集成电路 等。美国密歇根韦思大学医学院生物分子信息小组，利用细菌视紫红质（简称 BR 蛋白质）和发光染料分子研制具有电子功能的蛋白质分子集成膜，这是一种 可使分子周围的势场得到控制的新型逻辑元件。美国锡拉丘兹大学也利用BR 蛋 白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。 2) 流体控制领域 : 利用微型阀、微型泵进行流量元素分析、微流量测量和控 制。 3) 信息仪器领域 : 利用扫描隧道显微镜STM

9、可将 1M b it 的信息储存在一平 方微米的芯片上 , 另外, 微磁头、微打印头可以完成信息的输入、输出及传递工 作。 4) 航空航天领域 : 利用微型传感器和微型仪器，监测石油输送情况。微型卫 星和小卫星在此领域也完成了许多情报搜集工作。 5) 微机器人 : 微机器人是微系统最典型的应用。在许多特殊场合, 在人难以 接近或不能接近的空间中，微机器人完成人的工作, 如狭小空间中的机器人、电 缆维修机器人等。 在工业制造领域， 微型机器人可以适应精密微细操作，尤其在 电子元器件的制造方面。 美国迈特公司的研究人员最近设计出一种用于组装纳米 制造系统的微型机器人，这种机器人的长度约为5mm。研

10、究人员称，假设能利 用纳米制造技术使这种机器人的体积不断缩小，其最终的体积不会超过灰尘的微粒。日本三菱公司也开发了一种微型工业机器人，该机器人采用了 5 节闭式连杆 机构， 实现手臂的轻量化与高刚性， 其动作速度及精度完全可以赶上专用机器人。 往复上下方向 25mm ，水平方向 100mm 的拾取动作，所需时间缩短到028s。 另外，通过采用闭式连杆机构与高刚性减速机，实现了比以往机器人高10的 位置重复精度（ 5nm ） ，可适用于精密微细操作。 我国在微型机器人的研制方面也取得了可喜的成绩。据媒体报道， 由哈尔滨工 业大学研制的这种机器人， 其操作精度达到了纳米级， 可以应用于分子生物学基

11、 因操作，能够对细胞和染色体进行“ 手术” ，并能在微电子、精密加工等精度要求 较高的领域一显身手。此外，天津大学在国家863 高技术计划的支持下，也研 制成功了微型操作机器人，可以用于对微米级的细胞、胚胎、染色体实施操作。 中国农业科学院已利用这种机器人成功实行了对植物细胞染色体的切割操作，一 些医学科研部门正在利用它进行转基因实验。 纳米技术自 20 世纪 90 年代以来取得了飞速发展。目前，科学研究的前沿已 经深人到单原子的探测和操纵中， 制作具有特殊功能的人造分子和纳米器件已成 为可能。近几年来， 随着人们生活水平和对健康要求的不断提高，纳米科技发展 的一个显著变化就是倾向于在生物及医

12、学方面的应用，比如生物分子超灵敏检 测、癌症早期诊断和治疗、 药物的运输和缓式释放等。 美国朗讯科技公司和英国 牛津大学的科学家已经制造出一种可以开合的纳米镊，用它钳起分子或原子并组 合起来以制造纳米机械。三.微纳机电系统国内外发展趋势国际上微机电系统技术发展崛起于20 世纪 80 年代末期，我国自20 世纪 90 年代初便组织有关高校和研究所开始跟踪研究。美国国会已把微机电系统的研究 作为 21 世纪重点发展的学科之一，美国国家基金会也拨巨资开始了微机电系统 的研究，日本通产省自 20 世纪 90 年代开始正式启动了微机械研究计划。欧共体 国家也在尤里卡计划中将微机电系统作为一个重要的研究内

13、容，并在法、德两国 组织实施。 在我国，微机电系统的研究已经得到国家科技部、国家自然科学基金 委员会、总装备部及国防科工委等国家部委及地方部门的重视。 与其它学科的发展相比， 我国微机电系统研究的起步时间与工业发达国家相 距不远，但由于我国微电子领域以及基础学科的基础较弱，随着微机电系统逐步 走向产业化， 我国与国际先进水平的差距在迅速拉大。近来，随着微机电系统展 现的诱人前景， 以及作为一项国家战略高新技术的明确定位，各有关部门在制订 中长期发展规划时均将其作为重点发展的领域。 纳米技术的应用前景和深远影响也迫使各国致力于在纳米研究领域占有一 席之地。从 2000年 10月 1 日起美国实施

14、国家纳米技术规划，称“纳米技术将领 导下一次工业革命”， 并把其作为美国政府当前科技研究与开发的第一优先计划。 2000 年 7 月，美国国家科学技术委员会宜布实施纳米技术创新工程，2001 年度 用于纳米技术研究的专款约为5 亿美元。日本及西方各发达国家也制定相关计 划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中。 德国也把纳米 技术列为新世纪科研创新的战略领域。我国政府对纳米技术也很重视， 国际上纳 米研究刚起步时，我国就紧跟国际水平，在科技部、国家自然科学基金委员会、 教育部和中国科学院、国防科工委等有关部委支持下，先后在“攀登”计划、国 家重大基础研究项目、 基金委重大项目、

15、 科学院创新工程等项目立项， 并在资金 上对纳米研究给予支持。 目前，我国已对纳米技术和纳米材料中的许多重大问题开展了广泛深入研究，取得了显著成效，提高了中国在纳米技术研究中的地位。 纳米机电系统是纳米技术的核心技术之一。它是微机电系统向更为微观领域 的发展，是用纳米技术由微观向宏观构造系统的技术。原子、分子操纵、纳米加 工、分子自组装等新技术的突破为纳米机电系统的设计、制作和装配提供了技术 基础。纳米机电系统的研究、 发展将推动纳米技术的进步和在军事与国民经济中 的应用水平。 2000年前后，NEMS 随着纳米技术的飞速发展已经初见端倪，相对于 MEMS 来说，NEMS 具有更小的体积和更高

16、的谐振频率及质量因子，在军事侦察、 生物 医疗等领域有着较好的应用前景。 纳米机电系统技术可应用在纳米信息系统和纳米攻击系统上。纳米信息系统 是指以纳米技术为核心的信息传输、存储、处理和传感系统， 包括微型间谍飞行 器、袖珍遥控飞机、“间谍草”、高性能敌我识别器、报警传感器和纳米卫星等。 纳米攻击系统是运用纳米技术制造的微型智能攻击武器，主要用于微机器人电子 失能系统、昆虫平台、“蚂蚁雄兵”、 “机器虫”；纳米技术应用于军用灵巧蒙皮的 研制，可变革传统的飞行器和水下航行器的功能结构，大大提高其隐身等性能， 并有望实现智能行进系统。 近期，纳机电系统的发展主要应集中在：纳米机电系统与纳米机械；生物医 学纳米技术 (Biomedical Nano-technology)，微/纳米尺度流体力学特性纳米机械、 分子动力学以及分子装配技术，纳米尺度结构与力学行为。纳米微机电系统 (Nano-MEMS)乃至纳米机电系统 (NEMS)实现方法及技术典型纳米信息系统和纳 米攻击系统原理与实现技术等。四.展望展望展望展望微米纳米技术是一门新兴的、多学科交叉的研究领域，汇集了电子、机械、 材