微米纳米技术是指研究尺度在微米纳米范围的技术解读

绪论微米纳米技术是指研究尺度在微米纳米范围的技术，包括系统、器件及相应的材料与加工技术。

特点：
1．多数微米纳米系统、器件会保持宏观基本性质，这就为大型器件和系统微小型化提供了空间，而微小型化会带来占用空间、能量消耗、材料耗费、应用范围等方面的巨大好处2．一些微米纳米尺度的系统、器件、材料具有宏观不具备的一些特殊性质，产生前所未有的新功能
3．在微米纳米尺度上的科学研究还进行得很少，已有研究一般都停留在现象上，有关加工、操作和理论上的研究涉及较少
4．理论有别于宏观理论和微观理论，为科学研究留下较大空间
5．加工方式特殊
6．交叉性和渗透性强
7．应用广泛
MEMS是将热、光、磁、化学、生物等结构和器件通过微电子工艺及其他微加工工艺加工到芯片上，并通过与电路的集成乃至相互之间的集成组成复杂的微型系统。

特点：
1．微小结构。

体积小重量轻
2．智能化
3．交叉性与渗透性
4．具备集成电路的一些特点，如批量化、低成本等
纳米技术的分类：
纳米电子学、纳米材料、纳米结构、NEMS纳机电系统、纳米操作和纳米制造、纳米结构的检测与表征。

当把微机电系统的特征尺寸缩小到100纳米以下变成了纳机电系统，其特点是尺寸更小、质量更小、更灵敏精确、更低功耗，可用于精密测量，机械结构更高的固有频率，但噪声大，加工难度大。

对社会的影响：
新型材料、生物与医学、能源、环境、国土安区和反恐、科学发展
微纳米技术的应用微纳力学传感器包括微惯性、压力传感器、应变力传感器、触觉传感器、微麦克风等。

压力传感器
把压力转换成电信号输出的传感器，分为绝对压力传感器和差压传感器。

压力传感器应用早且广泛，是目前MEMS最大的市场之一，早期用于汽车发动机的进气管绝对压力（MAP）测量，另一个重要的应用是检测轮胎压力,其他的应用包括血压计、工业控制、环境监测等方面。

微型惯性传感器包括加速度计和陀螺，是利用物体的惯性来测量物体运动情况的一类传感器。

加速度计
稳态条件下
即已知质量块的位移就可以知道外界的加速度。

加大惯性质量快的质量，降低弹簧的等效弹性系数都可以提高灵敏度。

最成功应用的是汽车安全气囊控制的加速度计，另外还有电子悬挂系统，笔记本电脑里安装以保护数据，手机的网页浏览、图像翻转、游戏等，数码相机和摄像机的防抖、投影仪的倾斜校正等。

军事领域直接用于武器的安全和保险，使惯性导航和制导的重要组成部分。

微机械陀螺
振动式陀螺，通过科里奥利力来测量转动角速度。

应用：防侧翻系统、电子稳定系统（ESP）和刹车防抱死系统（ABS）。

由多轴加速度计和微陀螺组成的微型惯性测量组合（MEMS IMU）可用于导航和自动驾驶、虚拟现实、人体姿态检测，和导航制导、姿态控制等
微麦克风
特殊的压力传感器，把声压转换成电信号，应用于超薄折叠手机和网络电话
光学MEMS
显示
典型器件：用于投影显示的数字驱动微镜阵列芯片（DMD）和数字光处理器DLP技术、光栅光阀（GLV）、光栅电子机械系统（GEMS）、空间光阀（SLV）
通信
光开关、光可调衰减器、可调激光发射器和滤波器、片上光波导等
传感
微型光谱仪、自适应光学系统、电子纸张、可调激光器等
RF MEMS
优点：微型化、集成化、高Q值、好的隔离度、插入损耗小、信道容量高
应用：用于射频收发前段电路，如无线通讯和GPS
开关/继电器
体积小、重量轻、可批量制造、可与IC集成、加工成本低、可靠性高、功耗低、无谐波失真，串联电阻低，优异的高频性能、低插入损耗、高隔离度和高线性度等优点
电感
有源电路的方法得到的微型化电感相噪声大和功耗大，IC工艺制作出的平面方形螺旋电感由于与衬底存在寄生电容和电磁耦合，加上衬底的电阻较小，Q值过小，采用高阻衬底减小寄生效应但无法与电路集成
可变电容
没有静态电流，信号损耗较小，Q值较高，调节范围更宽，可构成相噪声更小的VCO，可承受很大的电压变化
谐振器和滤波器
高Q、与IC工艺兼容、很高的温度稳定性和很低的噪声
微流控系统
是驱动、感测、控制流体的微型器件
微流道
用微加工方法形成的封闭液体通道，提供流体进行微操作的场所，甚至本身作为为流体控制
的一种重要手段
微阀
用于控制流向和流量，最常使用的是单向阀
微泵
微流控芯片的重要驱动部件
应用：微型全分析系统（uTAS）或称芯片实验室（LOC），喷墨打印头
微纳生物传感器/生物芯片/BioMEMS
微纳生物传感器
将生物信号转换成电信号或其他可直接测量的信号的器件，更严格意义上来说是一种以生物活性单元（如酶、抗体、核酸、细胞等）作为敏感单元，对生物信息进行检测的元件。

血糖传感器
生物芯片
在广义上指通过为加工技术和微电子技术在固体基片表面构建的卫星生物化学分析系统，包括生物传感器，微阵列芯片和前面讲过的微型全分析系统（uTAS），从狭义上则专指微阵列芯片。

可分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片。

应用于食品科学和医学药物筛选等BioMEMS
生物领域应用的MEMS，狭义定义之包含可动结构或微流控系统地用于生物领域的微器件或系统（含uTAS），不包含阵列芯片和单纯的生物传感器。

包括uTAS、微针和微探针、人造视网膜
微能源系统（Power MEMS）
重要性：功率器件必须完成小型化、微型化革命，电源尺寸将决定系统尺寸，没有微型化或小型化的电源装置提供能源，MEMS系统将难以发挥微型化优势
主要能源：微型电池、发电机，微型燃料电池、微型能量采集系统
尺寸效应对一个器件和系统的微型化是对其几何尺寸按一定的比例缩小。

理想情况的按比例缩小是各个维度按照一定的比例变化，实际中往往受到很多功能、物理、技术限制。

小物体有更大的相对表面积。

表面积/体积比按下按线性尺度的倒数关系变化，如表面张力的变大。

惯性力
惯性力正比于的四次方。

重力加速度不随尺寸变化，重力按长度的三次方关系变化，下降迅速，一些情况下可以忽略
弹性力学中典型量
弹性系数随线性尺度线性下降，谐振频率与线性尺度成反比，噪声与线性尺度的三次方成反比。

杨氏模量的变化是由于表面层分子的作用在纳米尺度下变得更显著造成的。

应力
应力不随尺寸的缩小而变化。

在微结构中更关心残余应力。

残余应力会引起结构的变形甚至断裂，影响精度和稳定性。

热失配是最常见的残余应力出现的原因，随着尺寸的缩小，曲率半径将变小，即变形更加明显。

如果沿着厚度方向应力不均匀，存在应力梯度，也会引起结构的挠曲。

在微尺度下残余应力和应力梯度更显著，影响也更明显
1．膜和结构更薄，在同样应力下更容易发生形变或断裂
2．薄膜的生长工艺大多涉及到高温过程，中间会发生化学反应、晶粒成核等过程，与沉底通常发生晶格失配，因此膜中间会存在本征的残余应力，热处理也会引入附加热应力，因此造成比体材料中远大的残余应力和应力梯度
3．刚度相对较小，驱动力小，残余应力会对器件的性能发生重大影响，压应力会造成结构的屈曲，大的张应力会使结构断裂，压力梯度会引起严重的翘曲，导致功能下降或不能工作。

静电场
发生击穿的电场一样。

帕邢发现对于空气，间隙小到一定数量后，击穿电压随着间隙的减小反而上升。

微纳米器件结构可以承受更高的电压。

等电压下静电力大小不变，等电场下随减小。

电磁力
随着尺度的下降而迅速下降。

流体力学
粘度/粘性系数，等于单位速度梯度下的流体所受的剪应力。

雷诺数，定义为流体中惯性力与粘性力的比值。

如果流速一定，雷诺数随着尺寸缩小线性下降。

因此在微尺度下通常总是层流（雷诺数小），使得流体混合困难，只能靠扩散。

同样压差下，体积流速随半径的四次方下降，流速随半径的平方下降。

小尺寸下液体的快速流动不容易。

工艺挑战
光刻：衍射和干涉
刻蚀：扩散、钻蚀
三维结构：检测和表征
本身的检测和表征困难——大测小：要求更精密手段、易受干扰、电磁场流场热场
为宏观测量提供更有力手段——小测大：在线测量不干扰宏观场、更准确快速、新的微观检测手段——小测小
理论和计算
宏观理论：偏离宏观假设
微观理论：计算量极大、多数难以获得、难以验证
传感原理与制动原理传感原理
基本概念
传感：将一种外界待测变（能）量（物理、化学、生物等）转化成另一种可以测量、或更适合测量的物理变量（通常是电信号），相应的器件叫做传感器
致动：将系统内部的能量（通常是电能）转化成可以对外界发生作用的能量，相应的器件叫做制动器或执行器。

换能：以上两者的统称，将一种能量转变成另一种能量，相应的器件称变送器或变换器。

传感器的基本要求
静态要求：可用方程，其中y为输出，x为待测量，N表示多种环境变量。

要求
1．是的单调函数，输入量和输出量一一对应。

2．线性。

满足
S定义为灵敏度。

3．是的恒定函数。

传感器的输出不受环境变化影响。

4．漂移、寿命、重复性、稳定性、分辨率、选择性等静态要求
动态要求：常用二阶近似。

如对于加速度计
系统振动的阻尼比
对于加速度计最佳阻尼比为0.707，此时有最大带宽；对于陀螺等需要在谐振状态下工作的器件，需要有尽量小的阻尼比（高品质因子Q）
动态特性通常包括带宽、响应速度、品质因子（阻尼）、抗瞬态冲击等。

传感类型
I．电压（电荷）式
通过敏感单元直接把外界带测量转换成电压或电荷的传感方式。

1．压电式
某些材料的一定方向上施加压力或拉力，则在材料的一些对应表面上分别出现正负电荷，称为压电效应。

压电传感器是机械传感器的主要传感方式之一，优点是响应快、检测电路简单，缺点是无法提供直流响应，有频率检测下限。

压电效应是由内部电荷的极化造成的，因此中心对称的晶体或不定型晶体都不存在压电效应，常存在于存在不对称的偶极子的晶体材料。

压电特性可以用压电系数表征。

传感器应用中，通常采用压电薄膜。

2．热电式
某些材料或结构，在受到热或温差时会产生电荷或电势差，称为热电效应。

3．光电式
光照射下，物体中的电子脱出的现象叫做光电效应。

分内光电效应和外光电效应。

II．电阻式
将被测量的变化转换成传感器元件电阻式的变化，再经过转换电路变成电信号输出，是采用最广泛的传感方式之一。

检测方式简单，使用最多的是惠斯通电桥结构
压阻式
当材料受到应力作用时，其电阻会发生变化，称为电阻的应变效应，是力学传感器检测的最主要机制之一。

对于金属，应力应起的电阻率变化较几何尺寸引起的变化小。

半导体在发生形变时电阻率会发生显著变化，称为压阻效应，电阻率的变化对电阻变化率的贡献比几何效应高一个数量级以上，因此半导体材料比金属有更高的灵敏度。

压阻效应压力传感器
其他电阻式包括热阻式、光照改变电阻、吸收水分子或其他气体改变电阻、磁致电阻变化效应（巨磁阻）
III．电容式
将被测非电量的变化转换为电容量的变化的一种传感方式。

加工简单，不需要特殊的工艺和材料，分辨率非常高，温度灵敏性很低，但信号处理复杂、微纳米尺度下信号小、寄生效应影响大，是应用最多的传感方式。

检测方式：通过不同电路将电容转换成电压、电流或频率信号。

采用差分电路的方式来提高线性度和灵敏度，并将工艺变化的影响减到最低。

变间距型：当间距的变化很小时，电容变化和间距变化成正比。

但当变化量较大时，不再是线性的变化。

灵敏度高。

变面积型：在很大的形变范围内保持线性，但变面积式灵敏度要比变间距式低，要达到相同的初始电容和电容变化率，占用的面积更大。

变介电常数型
IV．谐振式
原理：
优点：数字输出、灵敏度高
V．隧道式
在金属针尖与导体之间施加一定的电压，当距离达到足够小时，电子会穿越之间的势垒，形成隧道电流。

隧道电流I与电极间距z之间存在负指数关系。

隧道电流与位移之间有很高的相对变化量，高分辨率，隧道加速度计直接将位移变化转变为电流变化，容易检测。

但能产生隧道电流的距离非常短，且电流与距离之间强烈非线性，必须采用力反馈结构，使距离始终保持在非常小的范围，需要工作在真空状态。

其他：电感式、磁电式、光传感、表面等离子谐振。

制动原理
微执行器最直接的功能是对外界输出力或力矩，与外界直接发生作用，包括马达、微镊子、微夹钳、微泵、微纳米操作器件等；
微执行器还可以作为驱动机构，形成多种微纳器件和系统，如DMD中旋转镜面、光开关的扭转和开合、继电器的开合、可变电容的调节、陀螺振动的产生；
此外对于传感器，力反馈可以提高稳定性、增加带宽、提高线性度，这些力反馈需要由微执行机构来实现。

典型驱动包括：静电、压电、（电）热、形状记忆合金（SMA）、气动、电磁、电润湿（EWOD）、生化等
静电驱动
基于正负电荷之间的相互作用，通常只有吸引力。

特点：1．低空耗，无静态功耗；2．工艺简单，不需要特殊材料和工艺，易于和CMOS 集成；3．驱动速度快，静电响应速度只取决于机械特性
缺点：驱动力小，为得到高驱动力需要很高的驱动电压，与电路驱动不兼容。

I．平行板
多数采用固定电压式驱动
电容储能
其中（g为加载电压为0是的初始间距，x为加载后的位移量）
静电力
弹性回复力
静电力与机械回复力相等时系统达到平衡。

吸合(Pull-in)效应
平行板电容驱动器当间距减小到一定值之后突然跳变至接触，这种现象称之为吸合。

电容间距变化到初始间距的2/3处发生吸合。

西和会大大降低平行板驱动器的行程，但对于开关等器件可以减小驱动电压，增加驱动速度。

力反馈
增加力反馈可以有效地提高稳定性、增加带宽、提高线性度、减小工艺误差带来的影响、提高可靠性。

力反馈是通过对可冻结构施加与位移方向相反的静电力完成的。

II．梳齿驱动
MEMS特有的一类致动结构，也是用得最多的驱动器。

作用力与初始位置和位移无关，只与电压的平方成正比，没有吸合效应，驱动位移大，与间隙g无关，只与弹簧和梳齿的预留移动空间有关。

梳齿在运动过程中受到的是滑膜阻尼，容易实现高Q值，对实现谐振器等工作在谐振频率下的器件非常有利。

III．静电马达
凸齿与定子电极没有对准，转子将受到转动的静电力。

其他：摆动式马达。

磨损效益使其寿命太低。

压电驱动
压电致动的机理是逆压电现象，在某些晶体的一定方向上施加电压，则在晶体的一些对应的表面上产生压缩或拉伸。

优点在于应力高（兆帕）、频带宽、能量密度高、驱动电压相对较低，在传统的小机械中有广泛的应用，位置精度高
最大的障碍在于其工艺兼容性，石英工艺、压电陶瓷等无法与硅加工工艺兼容。

（电）热驱动
热致动是通过热膨胀产生运动的致动方式。

热可以是焦耳热或红外或外加热。

优点：驱动力大
缺点：位移小、功耗大、响应速度慢
双层膜结构是最常用的热执行器。

两种热膨胀系数不同的膜结合在一起，加热时由于热失配而产生弯曲。

横向热执行器结构通过电流会被加热，但由于宽度不同，下面的被称为“冷臂”，上面的“热臂”膨胀，使整个结构沿平面向上偏移。

U形热执行器
V形热执行器：占据的面积相对较小，对称性强，适合于级联和组合
磁致动
电磁力随尺寸变小显著，加工困难，但驱动力仍然更大。

有两种方式：在芯片上加工永磁体，通过外界施加磁力或电磁力致动；或在片内仅加工导线和线圈，通过洛仑兹力实现驱动。

应用：实现三维组装、铁磁材料颗粒与液体混合形成磁流体，通过磁场对磁流体驱动，应用于微流控系统。

电润湿：亲水变为疏水
生物能、燃动发电机、离子聚合物-金属复合材料IPMC
自顶向下加工自顶向下：从大的材料开始，通过某种加工方法，得到微尺寸结构和器件的加工方式，最典型的是微电子加工工艺和MEMS加工技术
自底向上：由小的组元原子、分子和纳米单元开始，通过合成、组装、拼接等方式，构成具有功能的结构或系统，典型加工方法有自组装、自组织、纳米操作、分子合成等。

自顶向下包括硅基微加工技术和一些新型的特种加工技术，前者分表面加工技术和体硅加工技术，后者包括LIGA（X射线曝光、微电铸、微铸塑）、电火花微加工技术、电子束微加工技术、FIB（聚焦离子束）等。

表面加工工艺
表面牺牲层工艺指通过在衬底表面淀积不同的薄膜并结合选择性腐蚀得到悬浮为结构的一类工艺过程。

特点是与IC工艺类似且兼容，容易实现与IC的单片集成，缺点是只能形成2-D 或准3-D结构，不能形成真正的3-D结构，结构层薄，不适合加工一些高精度的MEMS器件，结构层由多晶硅、氮化硅和金属构成，机械性能一般要比单晶硅差。

自底向上自底向上：由小的组元原子、分子和纳米单元开始，通过合成、组装、拼接等方式，构成具有功能的结构或系统，典型加工方法有自组装、自组织、纳米操作、分子合成等。

SPM
扫描探针显微镜是一类设备的总称，这类设备可以通过极小的探针在材料表面扫描，从而表征表面某种性状的分布。

最广泛使用的是扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）。

STM
原理：非常尖锐的金属探针靠近表面样品距离很近时，如果两者之间有电压，则会产生隧道电流。

具有非常高的纵向分辨率，但要求样品必须是导电的，而且测试环境要高真空，以产生稳定的隧道电流并降低噪声。

恒高模式（只适合于非常平整的表面）和恒流模式（扫描速度慢）
可检测导电样品的表面形貌，分辨导电物质表面的原子或分子状态。

低温下噪声低分辨率较高。

AFM
当针尖离表面非常近时，针尖就会与表面之间发生相互作用力，称为原子力。

医院自立为敏感对象，通过不同的传感方法可以表征样品表面的三维形貌或与力相关的一些特征。

针尖受到的力会反映在微悬臂梁的形变上。

可以测试绝缘体，工作环境是真空、空气或液体，但扫描速度较慢，针尖易受污染或受损，检测系统复杂。

三种工作模式：接触式（速度快分辨率高，唯一能得到圆自己分辨率的工作方式，适用于起伏大的表面，但针尖易受到污染和磨损，对软、脆的样品针尖易造成表面损伤大给出错误信息，横向力和表面吸附液体吸附力等作用造成图像扭曲），轻敲式（横向分辨率高，图像扭曲小，不易造成表面损伤，但速度慢分辨率稍低），非接触式（减小对探针的破坏，但横向分辨率低，速度最低）。