微/纳机电系统发展特点及前景

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应的计算和仿真需用到薛定谔方程;对碳纳米管齿轮制造过程的仿真需用到分子动力学。

　　(2)Top-down和Bottom-up的结合，MEMS和NEMS的结合。

50年代末，著名的物理学家——诺贝尔物理学奖获得者R.Feynman曾指出，科学技术发展的途径有两条，一条是