微/纳机电系统发展特点及前景

2013-09-21 19:57:48来源: 互联网

1.引言

  微机电系统(MEMS)和纳机电系统(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。本文分析了微/纳机电系统的发展特点,简要地介绍了典型的MEMS和NEMS器件和系统后,讨论了MEMS和NEMS发展中的几个问题和MEMS和NEMS的发展前景。

  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~数百纳米、以纳米级结构所产生的新效应(量子效应、界面效应和纳米尺度效应)为工作特征的器件和系统。

  MEMS在某种程度上可以看作是集成电路(IC)的扩展。如果IC(微处理器和信号电路)可以比喻作人的大脑和神经网络,那么MEMS就为这大脑提供了获取信号的微传感器和执行命令的微执行器,如在电路上加入诸如薄膜、梁、弹簧和齿轮等MEMS机械元件,就能够对环境具有感知、思考、决策和反应控制能力。基于新效应的NEMS器件具有更高的灵敏度、更低的功耗、更小的体积。因此,如果将MEMS、NENS和IC高密度地集成在一块很小的体积中,组成的智能微/纳机电系统,将提高系统信息处理能力和集成度,降低功耗和体积。例如美国正在研究用MEMS或NEMS谐振器代替RF信号处理器片外的电感和电容,使其尺寸减小100倍(从80 cm2减小到0.8 cm2以下),功耗减小100倍(从300 mW减小到0.8 3 mW以下),RF性能(效率和带宽)提高10倍。未来的UHF(超高频)通讯/ GPS接收机会如手表大小。

  2. MEMS和NEMS的发展特点

  MEMS和NEMS是一种多学科交叉的技术,几乎所有的自然及工程领域都可应用和发展自己的MEMS,如Optical-MEMS、RF-MEMS、Bio-MEMS、Power-MEMS等等。根据MEMS和NEMS的现状和发展,可以大致看出以下一些特点:

  (1)制造技术是微/纳机电系统发展的基础

  经过十几年的发展,已经开发出多种微制造技术:

  a. 以硅表面加工和体加工为主的硅微加工技术;b. 利用X射线深层光刻、电铸的LIGA工艺;c. 传统的超精密机械加工技术的发展、微细电火花加工EDM、超声波加工等等特种微细加工技术;此外,还包括各种加工技术的结合。

  随着微加工能力的提高,现在微机械加工的特征尺度正在向纳米延伸。硅微加工系统也可达到纳米级。80年代初出现的纳米科技研究的重要手段——扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM),不仅可用于直接观察原子、分子以及纳米粒子的相互作用与特性,表征纳米器件,并且作为一种纳制造技术手段,可移动原子、分子,构造纳米结构,在纳米尺度研究其相互作用。

  (2)微系统的机理研究是其创新发展的基础。

  随着尺度向微米级和纳米级缩小,物体的有些宏观特性将发生改变,并会出现一些新的性质。如在MEMS中,经典物理学定律基本适用。但在狭小空间内,不同性质的物质(固、液、热、生、化)互相耦合,宏观世界中某些次要的影响因素可能变得重要,在某些条件下,也会出现介观效应。在NEMS中,纳米级结构将产生新效应,如量子效应、界面效应和纳米尺度效应等。对这些新性质、新效应的深入研究是MEMS和NEMS技术发展的关键。

  (3)需求是发展的动力。

  MEMS和NEMS具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、新功能、可批量生产等传统器件不具备的优点,如果研制的器件和系统具有这些优点就会有良好的应用前景。而强劲的需求牵引则是MEMS和NEMS研究得到迅速发展的原动力。

  MEMS和NEMS并不仅是一类新的产品,还构筑出一个微技术发展和应用平台。在此平台上,MEMS和NEMS与不同的技术结合,并对其发展产生巨大的推动作用。由于尺度微小和多学科交叉,MEMS和NEMS也形成了一类新的方法学。

  3. MEMS和NEMS的器件和系统举例

  微传感器件:微传感器种类很多,所测量的参数包括:加速度、压力、力、触觉、流量、磁场、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度和生物浓度等等。典型的微机械传感器件包括压力传感器、加速度计和陀螺等。

  微流体器件:微流体器件是另一类重要的MEMS器件。在喷墨打印、芯片冷却、微型推进系统、药物雾化供给和生物芯片等系统中有广泛的应用。典型器件如微泵和微阀微喷等。

  微光学器件:美国TI公司利用硅表面微加工工艺开发了数字微镜(DMD—Digital Micromirror Device)。其显示效果超过液晶投影显示,可用于高清晰度电视等领域;在Optical MEMS中,光开关和光通讯具有广泛的发展前景。图6为微光开关阵列。

  信息和生物MEMS是MEMS的两个重要发展方向,具有广阔的应用前景和市场。如:RF MEMS开关、RF MEMS滤波器、RF MEMS振荡器、电容、电感、传输线,以及微型生物传感器、微流体芯片等等。

  基于MEMS技术的微能源器件:随着手机、笔记本电脑、PDA、微型摄像机等微型电子产品的普及,迫切要求能源的微型化。微型燃料电池是其中之一。利用MEMS微流体技术可大幅度提高燃料电池燃料的供给效率,利用MEMS制造技术可缩小燃料电池的体积,实现大批量、低成本制作。

  微执行器和致动器:微执行器是当今MEMS发展的一个重要方面,常用的有微电机、微喷、微开关、微扬声器、微谐振器等。微致动的原理有:静电、压电、电磁、热、形状记忆等多种形式。

  上述有些MEMS器件已实现了商品化生产,如压力传感器、加速度计、数字微镜、微喷和生物芯片等,显示出良好的市场应用潜力。另外,将MEMS器件作为嵌入式系统的组件,如在微型飞行器中使用了基于MEMS的惯性、光学、通讯和能源等器件。

  NEMS的研究仍处于起步阶段,据估计NEMS在高灵敏度、小体积、低功耗等方面具有显著的优势,如灵敏度可提高106,功耗可减小102。

  纳生物器件:如图7,美国康乃尔大学的Montemagno博士领导的一个研究小组研制出一种生物分子电机。该电机由一个三磷酸腺苷酶分子(ATP)、一个金属镍制成的桨片(直径150nm,长750nm)和一个金属镍柱体(直径80nm,高200nm)组成,平均速度可达每秒钟4.8转,运行时间长达40分钟至2.5小时。生物分子电机为进一步研制有机或无机的智能纳系统创造了条件。再如美国乔治亚理工学院王中林教授等人利用多壁纳米碳管研制出纳谐振器,通过其共振频率的变化可称出30fg(1fg=10-15g)的碳微粒的质量。这种谐振器可做为分子秤检测分子或细菌的质量。

  纳传感器件:美国的S.Vatannia等人对共振隧穿效应进行了研究,在普通的隧道间隙间加入一个共振隧穿位移转换器,在不减小灵敏度和隧道电流的情况下,可提高隧道间隙大约100埃,这不仅大大减小了NEMS系统制造和安装的难度,也给大幅度提高隧道效应传感器的灵敏度提供了可能;另外,一维或准一维纳米结构(如碳纳米管和纳米带)具有超高的韧性、超高的强度和极灵敏的电导特性。将其制成纳米悬臂梁,作为传感器件的敏感结构,可实现高灵敏度、低功耗检测。

  信纳息器件:美国Caltech的Yang、Ekinci等人首次研制了尺度为100nm的SiC-NEMS谐振器件,具有高频(GHZ)、高Q(数万到十几万)、低驱动功率(10-12W)、低热噪声和高性噪比等优点,可满足射频通信系统的要求。

  纳流体器件:纳流体系统的特征尺寸在几百到几纳米。除了静水压力,电场也可以用于在离子导电流体中控制和驱动流体的流动或单个分子的运动。因此利用纳流体器件组成的纳流体系统可用于单分子的分析、检测。

  目前,MEMS和NEMS的研究领域不断扩展,逐渐形成信息(IT)、生物 (Bio)、能源等新方向。并且从单一的MEMS和NEMS器件的研究,发展为将MEMS和NEMS器件作为嵌入式系统的组件,以提高系统的整体性能和附加值,这方面已有很多成功的例子。

4. MEMS和NEMS发展的几个问题

  (1)MEMS和NEMS的设计、仿真和优化。

  MEMS制作工艺的复杂性和昂贵使得设计者不能不更多的借助于仿真、而不是频繁的试验来优化设计。当前,一般通过IC设计过程中的MASK辅助设计软件LEDIT来完成掩膜版的制作,通过ANSYS完成对微结构力学、电学等单域或多域耦合分析。现已有多种MEMSCAD商用软件。MEMSCAD在与微尺寸效应及微工艺的结合方面较ANSYS更有优势,MEMSCAD另一个优点在于其对微流体分析功能方面明显高于其它仿真软件。

  MEMS设计过程同时也应该包括MEMS工艺设计过程。这一方面要求MEMS设计者和工艺工程师密切配合,从结构设计和工艺的局部调整两个方面完成工艺设计;另一方面,也要求MEMS设计尽量选用已经存在的标准工艺。

NEMS的特征尺度在亚纳米到数百纳米,设计、仿真在其研究中所起的作用尤为重要。在一些情况下,经典的理论和概念仍然可能提供设计和分析的适当基础。但在一般情况下,需要把量子力学和统计理论的概念引入纳米尺度的分析。例如,对于隧道效应等纳效

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关键字:    机电系统

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0921/article_19323.html
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