微纳机电系统

微纳机电系统

一．引言

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。

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．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/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、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

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

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，可大量使用。

2.4.应用前景

自80年代末美国首先出现直径为100μm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。

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。

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。