机械104王臣朋2010071216
微米纳米技术及微型机电系统。
摘要微型机电系统和微型制造技术是一个新兴的技术领域。本文论述微米纳米制造技术的发展过程，微细加工的进展，微型机电系统的概念、主要研究课题， 以及它的应用领域。
关键词微型机电系统微米纳米制造技术
1引言 微米/ 纳米技术是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域， 它研究和控制物质结构的功能尺寸或分辨能力， 达到微米至纳米尺度， 它汇集电子、机械、材料、制造、测量， 以及物理、化学和生物中新生长出的( 包括交叉的、不同层次的) 微小和微观领域的科学技术群体。几十年前人们就实现了微米级精度的加工， 而制造微米尺度的器件、装置或机器就不容易了。虽然微米量级的器件仍遵循宏观世界的规律， 但又在不同程度上显示出微小事件的特征。
在技术上， 从微米量级发展到纳米量级是一次飞跃； 从机理上， 纳米尺度的现象和器件的特性与宏观世界的规律有很大的差异。科学家的目标是要实现原子分子层次上的制造技术， 形成新的物质结构和机器。如1989 年由ibm 实验室开始用st m 搬移氙原子、铁原子和某些分子， 而组成字符或图案， 引起了世界科技界的重视和幻想； 1986 年ibm 还研制出超微型碳分子算盘， 算盘珠是由 60 碳原子组成的巴基球， 由扫描隧道显微镜操纵。
近期可望取得重大突破的技术为： 微型机械电子系统、微米/ 纳米制造技术、扫描探针显微技术、微电子及纳米电子技术、纳米材料技术和纳米生物工程等等。纳米科学技术和生物工程被认为是未来科技的两大重要前沿。
2微米/ 纳米技术。
科学技术向微小领域发展， 由毫米级、微米级继而涉足纳米级， 人们把这个领域的技术称为微米/ 纳米技术。微米( micromet er, 简写为 μm) 和纳米( nanomet er , nm) 的尺度分别为 10 - 6 m 和10 - 9 m。虽然还有更小的尺寸单位， 但现代科学技术研究的尺度大都在埃以上 ( angstr om, 1μ =0.
1nm) 。光的波长为100nm 量级， 超大规模集成电路线宽可达亚微米级， 大容量光存储的信息记录尺寸线宽为0. 6μm、深 0.
1μm, 生物大分子中蛋白质核酸的尺度为几十到几个纳米， 而固体物质结构的极限尺寸 ——原子间距为0. 1～0. 3nm。
微电子技术仍是现代科学技术中的关键技术， 由于微细加工水平的提高， 微电子集成规模由大规模集成( lsi) 、超大规模集成( vlsi) 、特大规模集成( ulsi) ,现进入京规模集成( gsi) ,线宽达0. 16μm, 工业化生产为 0. 35μm。
据美国微电子规划： 线宽由 0. 35μm( 1995 年) ,发展为 0.
2μm ( 1998 年) 、0. 18μm( 2001 年. 12μm( 2004 年.
10μm ( 2007 年) 和 0. 07μm( 2010 年) ;微电子技术的另一重大贡献是在它基础上发展了微型机电系统， 在本文中另有专节介绍。
发展到原子尺度的科学技术( science and t echnology at at omic scale) 就是纳米科学技术， 它包括纳米电子、纳米材料、纳米生物、纳米机械、纳米制造、纳米测量等等的学科群。以扫描探针显微镜( spm) ,包括扫描隧道显微镜( stm) 和原子力显微镜( afm) 等等技术为代表的纳米级观测和加工方法， 可以分辨出单个原子、可在真空、大气或水溶液中直接观测表面结构的缺陷、还可操纵单个原子或分子进行纳米级的加工。纳米电子学立足于最新的物理理论手段， 按新的概念构造电子系统， 超越传统极限， 实现信号采集、处理和存储能力突破。
纳米材料指其特征维度尺寸小于 100nm 的零维、一维、二维和三维的介于原子、分子与块材之间的固体材料。在此尺度下， 小尺寸和界面效应、量子效应和宏观量子隧道效应的影响， 使它的物理、化学和力学特性与大尺寸材料有明显的差异。 从工程技术观点， 微米/ 纳米技术是一个发展过程， 微米技术与纳米技术是有所区别又有联系的宽广技术领域， 是指微米级( 按照习惯的划分， 0.
1μm～100μm) 到纳米级( 0. 1nm ～ 100nm) 的材料、设计、制造、测量、控制和应用的新技术。从微米/ 纳米技术研究的技术途径亦可分为两类：
一种是分子、原子组装技术的办法， 即把具有特定理化性质的功能分子、原子， 借助分子、原子内的作用力， 精细地组成纳米尺度的分子线、膜和其它结构， 再由纳米结构与功能单元进而集成为微系统， 这称为由小到大( bot t om-up) 的途径； 另一种是用光刻刻蚀等微细加工方法， 将大的材料割小， 形成结构或器件， 并与电路集成， 实现系统微型化， 亦称为由大到小 ( t op-down) 和途径。微米/ 纳米技术使人类在改造自然方面进入一个新的层次， 开发物质潜在的信息和结构潜力， 使单位体积物质储存、信息处理和运动控制的能力实现又一次飞跃。将在信息、材料、生物医疗、航空航天和工业等方面导致人类认识和改造世界的能力的重大突破。
3纳米制造技术
从制造能力看， 现在已进入纳米制造时代。纳米制造技术涉及超精密加工技术、精密测量、 传感和控制技术， 其中纳米级加工技术是其核心， 可分为加工精度和加工尺度两个方面。加工精度由本世纪初的最高精度10μm, 发展到现在的20nm、表面粗糙度2～5nm, 而用金刚石车床加工的超精密衍射光栅的精度已达到1nm。
目前， 加工中心的定位精度约为2μm, 坐标磨床的定位精度约为1μm; 对于ic 图形制作设备， 它的校准和**机定位精度约为50nm。实验室可制作10nm 以下的线、柱和沟槽。
纳米加工的精度或尺度是近原子尺寸量级的， 其加工技术包括： (1) 超精密机械加工， 如： 超精密切削、磨削、研磨、抛光等以及研磨、抛光等。
超精密加工机床已商品化生产， 其主轴的精度为 10nm, 导轨和定位精度为 0. 013μm/ 1000mm, 数控分辨率 25nm, 切削加工粗糙度为 2nm, 切削圆度为25nm, 磨削圆度为10nm, 平面度为0. 5μm, 非球面精度为 0.
1μm, 非球面粗糙度为5nm; (2) 光刻加工， 它是化学腐蚀加工的典型代表， 其中用光刻加工的vlsi 的最小线宽可达100nm, 实验室加工已达10nm。( 3) 能量束加工， 包括电子束加工、离子和等离子体蚀刻、分子束外延、物理和化学气相淀积， 以及激光加工、电解射流加工、电火花加工、电化学加工等等。( 4) 扫描探针显微镜加工， 可以进行原子级操作、装配和改形等加工处理。
微米/ 纳米制造技术要求纳米级的测量， 有传统的探针及一些光学方法， 包括外差干涉测量技术、超短波长干涉测量技术、基于 f-p ( febry-perot ) 标准的测量技术； 还有一些新的方法， 如扫描电子显微镜( sem) 和扫描探针显微镜( spm) 等等。外差干涉测量技术具有高的位相分辨率和空间分辨率， 可以达到0. 1nm; x 射线干涉测量技术是微米/ 纳米测量中的一项新技术， 位移测量的分辨率可能实现0.
01nm; f-p 标准具的测量分辨率可达到10nm; sem 可使几十个原子大小的物体成像， 而st m 和afm 可以直接观测原子尺度结构， 垂直分辨率在到 0. 1nm。
加工与测量离不开控制技术， 而高精度的定位技术又是实现纳米级控制的关键。在stm 测量与加工中， 需要纳米级的三维定位与控制， 目前普遍采用的是管状压电陶瓷器件。利用电致变形材料、静电或磁悬浮轴承式结构， 以及静电致动的高精度控制技术正向纳米级精度进展。
新的加工原理和新的加工极限研究受到重视。纳米加工机理、测量原理、定位控制方法涉及到原子尺度的科学理论基础， 纳米机械学等新学科正在形成。
4纳米机械的发展历程。
从20世纪70年代开始，在机械装置小型化过程中产生了微机械的研究。此项研究最早由美国斯坦福大学于2023年开始的，2023年美国投入大量经费资助微机械开发，随后日本和西欧也相继将微机械研究列为重要发展领域，促进了微机械的迅速发展。 最初，人们按照传统机械学的原理和方法开发小型机械，仅仅是传统机械简单的缩小，在工作原理、机构材料和设计理论等方面大体沿袭了传统机械学。
然而在研制过程中，人们发现，微型机械的力学系统特征和传统机械不同。此外制造机械的原材料小型化以后的物理性质及对环境变化的影响也将有很大变化。所有这些都促使人们认识到传统机械学的理论和观点对于小型化机械已经不再适用了。
微机械学的发展自然而然的进入了建立纳米机械学研究的阶段。各国也取得了相应的研究成果。
5纳米机械学
纳米机械学是适应微型机电系统设计研究的需要而产生的一门学科，研究纳米尺度对象的机械结构、特征及其测量分析，以及进行相关微系统设计。通常，机械工程包含机械学和机械制造学两大学科，他们分别对应于机械系统从构思到实现所经历的设计和制造两个阶段。相对于传统机械而言，微型机械具有体积小、重量轻、能耗低的特点。
微机械的种类繁多，在航天、航空、汽车、生物医学等领域有十分广阔的应用，根据目前的研究情况，主要有以下几大类：
1） 微传感器包括敏感和检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的传感器
2） 微执行器主要包括微电机、微齿轮、微泵、微阀等
3） 微型构件主要包括微梁、微探针、微腔等
4） 微机械光学器件目前已有微晶列阵、微光扫描器等
5） 微机械射频器件包括微型电感、可调电容、波导等。目前是研究的热点，将对射频技术产生重要的影响
6） 真空电子器件包括场发射显示器、照明器件、微电子毫米器件等
7） 微能源和微动力源这将是研究的一个重要方面，起步较晚，进展少目前纳米机械的应用研究热点集中在微型机器人和小型、微型及纳米微型两个方面。
6微型机电系统
半导体集成电路微细加工技术的成熟和超精密机械加工技术的发展， 从一个方面使人们认识到微米/ 纳米技术应用的巨大前景。其发展并非单纯微小化， 而是指可以开发批量制作的、 集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理的控制电路、直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。通常称之为微型机械( micromachine, 日本惯用词) ,其特征尺寸范围为 1μm～1mm。
考虑到现在的技术水准， 尺寸在1～10mm 的小型机械， 以及将来有可能借助于生物工程和分子组装实现的1nm～1μm 的纳米机械或分子机械， 也属于微型机械的范畴。它也可称为微型机电系统( micro el ectr o mechanical syst ems, 略记为mems, 美国惯用词) ,或微型系统可分成几个独立的功能单元。其输入是物理信号， 通过传感器转换为电信号， 经过信号处理( 模拟的和/ 或数字的) 后， 由执行器与外界作用。
每一个微型系统可以采用数字或模拟信号( 电、光、磁等等物理量) 与其它微型系统进行通讯。微型机电系统的特点是： 体积小、重量轻、耗能低、性能稳定； 有利于大批量生产， 降低生产成本； 惯性小、谐振频率高、响应时间短； 集约高技术成果， 附加价值高等， 使其拥有广泛的应用领域和前景。
微型机电系统的目标在于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统， 开辟一个新技术领域， 形成批量化产业。它涉及电子、机械、材料、信息与自动控制等多种学科并集约了当今科学技术的许多尖端成果， 可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务。例如：
尖端直径为5μm 的微型镊子可以夹起一个红血球， 尺寸为7×2×2mm 的微型泵流量可达 250μl/ min, 已做出能开动的3mm 大小的汽车、在磁场中飞行的机器蝴蝶、以及集微型加速度计、微型陀螺和信号处理系统为一体的微型惯性测量组合( mimu) 。美国加州理工学院在飞机翼面粘上相当数量的 1mm 左右的微梁， 控制其弯曲角度以影响飞机的空气动力学特性。利用硅微加工在一片硅片上可一次制造成百上千个微型机电装置， 或制造出数个完整的微型机电系统。
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