第1章 微纳机电系统MEMS/NEMS及其物理力学

1.1 微纳机电系统MEMS/NEMS

微机电系统（MEMS）一词来源于美国。1987年在美国举行的 IEEE Micro-robot Sand Tele-operators研讨会的主题报告标题为“Small machines, Large opportunities”，其中首次提出了微机电系统一词，它是Micro-Electro-Mechanical System一词的缩写。

微机电系统，也叫作微电子机械系统、微系统、微机械等，是指特征尺寸在亚微米至亚毫米量级，整体尺寸在毫米量级的集成装置系统。微机电系统应该说是以半导体（特别是硅）为材料，以IC（集成电路）加工技术为手段，以固态传感器为背景发展起来的。

关于微机电系统的定义，目前仍没有统一的确切论述。美国、日本、欧洲各国由于各自发展微机电系统的途径和技术条件不同，所以各自的定义也不尽相同。美国一般称其为微机电系统，日本一般称其为微机械，欧洲各国则称其为微系统。

MCNC（美国北卡罗来纳微电子中心）对微机电系统的定义：微机电系统是由电子和机械元件组成的集成化微器件或微系统。它是采用与集成电路兼容的批量处理工艺制造的，并且尺寸在微米到毫米之间。它将计算、传感与执行融合为一体，从而改变了我们感知和控制自然界的方式。

日本微机械中心的定义：微机械是由尺度在毫米量级的功能元件组成的系统。它能够执行复杂、细微的任务。

欧洲NEXUS（the Network of Excellence in Multifunctional Microsystem）的定义：微系统是由多个微元件组成的完整系统。它能提供一种或多种特定功能，包括微电子功能。

微机电系统属高科技电子机电器件。从加工制造角度来看，它是在微电子制造技术（半导体制造技术）基础上，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等制作技术而发展起来的。从系统功能角度来看，微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。从技术角度来看，微机电系统涉及微电子、材料、化工、机械等诸多技术领域。从学术角度来看，微机电系统涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科。

常见的微机电产品包括MEMS压力传感器（图1−1−1）、微加速度计（图1−1−2、图1−1−3）、微陀螺仪（图1−1−4～图1−1−6）、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等以及它们的集成产品。

纳机电系统（Nano-Electro Mechanical System, NEMS）是20世纪末21世纪初提出的又一个新概念。可以这样来理解这个概念，即NEMS是特征尺寸在1～100nm、以机电结合为主要特征，基于纳米级结构新效应的器件和系统。

从机电这一特征来讲，可以把NEMS技术看成是MEMS技术的发展。MEMS的特征尺寸一般在微米量级，其大多特性还可以采用宏观尺度物理的方法来分析，但NEMS的特征尺寸达到了纳米量级，凸显了一些新的效应，如尺度效应、表面效应，解释其机电耦合特性需要采用微观、介观物理的方法。与MEMS相比，NEMS的工作原理及表现效应又有了许多根本性的不同。

NEMS研发的产品方向主要包括谐振式传感器、RF谐振器、滤波器、高密度存储器、单分子、单DNA检测及生化分析仪、生物电机、机械单电子器件等。

微机电系统由于体积小、质量轻、功耗低、设计思想独特、加工方法特殊，因此，具有许多不同于传统机电系统的特殊特性，如微型化特性、尺度效应特性、可批量加工特性、可集成化特性、多技术融合特性、多学科交叉特性等。

1．微型化特性

微机电系统对外界空间的要求极低，很节省空间，从而使整体系统结构都可实现小型化或微型化。整体系统也会十分紧凑。图1−1−7所示为一只虱子与6个用MEMS技术制成的齿轮，图1−1−8所示为微仿昆虫飞行器，图1−1−9所示为胶囊内镜，图1−1−10所示为两种不同原理制成的微飞行器，图1−1−11所示为智能昆虫，图1−1−12所示为微型肠道机器人，图1−1−13所示为日本研制的微硬盘，图1−1−14所示为MEMS隐形眼镜。从这些系统所参照的对象可以看出，微机电系统器件和整体尺寸该有多么微小。

由于微机电系统尺度很小，固有频率很高；质量很轻，惯性很小，因此抗冲击的能力很强，如同一个小昆虫，从高空掉下来不会摔死一样。

2．尺度效应特性

虽然一般的MEMS器件还没有小到物理学中的微观分子尺度，却临近了物理学中的微观范畴。正是因为临近分子尺度而又不属于分子尺度，其力学特性才体现出许多特殊的方面。在这个尺度下，虽然宏观领域的一些物理理论仍然可以适用，但微观尺度下材料的许多特殊性质必须予以考虑，如固体材料的颗粒效应、气体分子的稀薄效应、液体材料的边界滑移效应等。由于宏观机电系统的某些物理规律在微机电系统中可能不再适用，因此需开展微机电系统特殊规律的研究，如微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学等方面的研究，其中许多涉及微结构力学的内容。

尺度效应是MEMS中许多物理现象不同于宏观现象的一个非常重要的原因。随着尺寸的减小，表面积（L2）与体积（L3）之比相对增大，表面效应十分明显，这将导致微机电系统的受力环境与传统机电系统完全不同，以潜水艇为例，当把潜水艇缩小到针头大小时，螺旋桨即使转动也很难使潜水艇前进，这主要是由于尺度的变化，使得潜水艇受到水的黏性阻力变得相当突出，二者的驱动原理已经完全不同。

3．可批量加工特性

微机电系统的加工采用的是微电子集成电路的加工生产工艺。用硅微加工技术在一块硅片上可同时制造出成百上千个微型机电装置或完整的微机电系统。不仅如此，在许多加工过程中，器件加工、结构成型、布线及封装都是一步到位的，无须再进行装配和组合，其自动化程度极高，批产量很大，生产成本很低。

4．可集成化特性

MEMS可以把不同功能、不同敏感方向或制动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列和微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微机电系统。由于微机电系统技术采用模块化设计，因此设备运营商在增加系统容量时只需要直接增加器件/系统数量，而不需要预先计算所需要的器件/系统数量，这对于运营商来说是非常方便的。

5．多技术融合特性

微机电系统中的“机械”不限于狭义的机械力学中的机械，它代表一切具有能量转化、传输等功能的效应，包括力、热、声、光、磁，乃至化学、生物等。采用广泛的物理、化学和生物原理进行产品设计，通过光电、光导、压阻、压电、霍尔效应等对信号进行处理变换和控制，集中了很多当今科技发展的最新成果。MEMS本身就是科技创新的产物，其概念、机理、设计、加工等方面都不同于传统的大系统。设计方面，宏观世界的结构知识与法则，有些对MEMS不再适用；材料方面，除微电子工业常用的硅材料外，微传感器和微执行器还可以利用其他材料，如陶瓷和聚合物材料等。

6．多学科交叉特性

微机电系统的设计、加工制造涉及微电子学、微机械学、微动力学、微流体学、微热力学、微摩擦学、微光学、材料学、物理学、化学及生物学等多种学科，还涉及元器件和系统的设计、制造、测试、控制、集成、能源、材料，以及与外界的联结等多方面，并集中了当今科学技术发展的许多尖端成果。