电子产品世界

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“自上而下(Top-down)”的途径，另一条是“自下而上(Bottom-up)”的途径。近几十年来的主流是“自上而下”的微型化过程。如目前的MEMS制造基本上采用这种方法。即采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。这种技术途径易于批量化和系统集成。

纳器件有两种制造途径。一是继续发展Top-down的途径，如采用电子束光刻已可达到20 nm线宽。但该方法的限制是，尺寸愈小，成本愈高，偏差愈难维持。另一种为Bottom-up的途径，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集成为微系统。这种制造技术反映了纳米技术的一种理念，即从原子和分子的层次上设计、组装材料、器件和系统，是一种很有前途的制造技术，但目前还只是处于实验室研究阶段。bottom up有两种方法：一为自组装法;二为显微镜法。

与MEMS工艺技术相比，NEMS的研究涉及更广范围的材料和更高空间分辨率的制造工艺，因此，纳米制造技术还处于发展阶段。要充分发挥Top-down和Bottom-up的优势，将两种途径结合使用是解决NEMS制造的有效方法(如图11)。如前面提到的分子电机，纳米桨片利用了电子束蒸发、电子束刻蚀和各向同性腐蚀等技术，而装配则采用了自组装法。

(3)基于纳效应和纳米结构的NEMS传感器是一个重要的研究领域。

利用在此特征尺度尺度下物质和结构在物理学、化学和生物学中的新效应、新性质，研制NEMS传感器可能在性能上产生突破，例如：

a. 基于共振隧穿、介观压阻等纳效应的NEMS传感器

共振隧穿效应是在隧穿效应的基础上的一种使电子隧穿几率增强的机制。当入射电子的动能与势垒中束缚态的能级相匹配时，会在势垒内部发生干涉加强的现象，使电子的透射率大为增强。共振隧穿效应的隧道电流密度的表达式为：

其中m*是电子有效质量， kB是Boltzmann常数，T是绝对温度，D(E)是传输系数。

如果利用MEMS和NEMS制造技术，在普通的隧道间隙间加入一个共振隧穿位移转换器，则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，这给大幅度提高隧道效应传感器的灵敏度提供了可能。这种传感器的研究涉及共振隧道结中势垒结构和分布对电子透射系数的影响，隧道针尖、电极的材料、形状对共振隧穿效应的影响等问题。

介观压阻效应不同于宏观的压阻效应，它是利用纳米功能材料的应变产生压电场，压电场(包括应变)导致纳米功能材料的量子能级(能带) 漂移，从而在纳米功能材料共振隧穿(微带输运) 能级附近产生强烈的压阻效应。介观压阻效应对应变信号非常敏感，并可通过改变势垒的结构对其进行人为控制。对于声、温、压、加速度等信号，都可成为纳米功能材料的应变信号，因此利用介观压阻效应可制成超高灵敏度的NEMS传感器。

b. 基于一维纳米结构的NEMS传感器

随着纳米材料和新纳米结构研究的进展，利用纳米结构表现出的独特的力、电、热、光、磁等性能进行新型纳传感器件的研究也逐渐成为NEMS研究的一个热点。其中以一维纳米结构尤为突出。现已发现三类一维纳米结构：纳米管、纳米线和纳米带。

碳纳米管、纳米带等一维纳米结构具有独特的力学性能，用该种结构可以构成纳悬臂粱谐振器，当外力作用在此谐振器时，悬臂梁发生变形，并影响悬臂梁的谐振频率，通过检测悬臂梁的谐振频率fn可以感测外力的大小：

其中F为外力，Eb为弹性模量，ρ为密度，D为外径，Di为内径，L为长度，βj是模态常数。利用该谐振器可制成高灵敏度、超小体积的纳惯性器件、高灵敏度分子秤等传感器。

碳纳米管的电学性质与其结构密切相关。电子在碳纳米管的径向运动受到限制，表现出典型的量子限域效应;而电子在轴向的运动不受任何限制。因此，可以认为碳纳米管是一维量子导线。其电压-电流、形变-电导等特性已不完全符合宏观的规律。对这些新现象的深入认识和研究将是高精度NEMS传感器研制的基础。

5. 结束语

MEMS的发展只不过十多年的时间，但已显示出强大的生命力，有人估计，再过10年左右时间，NEMS会和今天的MEMS一样流行。

关键词： 前景 特点 发展 系统 机电