微米納米技術(shù)是指研究尺度在微米納米范圍的技術(shù)解讀

1、緒論微米納米技術(shù)是指研究尺度在微米納米范圍的技術(shù)，包括系統(tǒng)、器件及相應(yīng)的材料與加工技術(shù)。特點(diǎn)：1. 多數(shù)微米納米系統(tǒng)、器件會保持宏觀基本性質(zhì)，這就為大型器件和系統(tǒng)微小型化提供了 空間，而微小型化會帶來占用空間、能量消耗、材料耗費(fèi)、應(yīng)用范圍等方面的巨大好處2. 一些微米納米尺度的系統(tǒng)、器件、材料具有宏觀不具備的一些特殊性質(zhì)，產(chǎn)生前所未有 的新功能3. 在微米納米尺度上的科學(xué)研究還進(jìn)行得很少，已有研究一般都停留在現(xiàn)象上， 有關(guān)加工、 操作和理論上的研究涉及較少4. 理論有別于宏觀理論和微觀理論，為科學(xué)研究留下較大空間5. 加工方式特殊6. 交叉性和滲透性強(qiáng)7. 應(yīng)用廣泛MEMS是將熱、光、磁、化學(xué)

2、、生物等結(jié)構(gòu)和器件通過微電子工藝及其他微加工工藝加工到 芯片上，并通過與電路的集成乃至相互之間的集成組成復(fù)雜的微型系統(tǒng)。特點(diǎn)：1. 微小結(jié)構(gòu)。體積小重量輕2. 智能化3. 交叉性與滲透性4. 具備集成電路的一些特點(diǎn)，如批量化、低成本等納米技術(shù)的分類：納米電子學(xué)、納米材料、納米結(jié)構(gòu)、NEMS納機(jī)電系統(tǒng)、納米操作和納米制造、納米結(jié)構(gòu)的檢測與表征。當(dāng)把微機(jī)電系統(tǒng)的特征尺寸縮小到100納米以下變成了納機(jī)電系統(tǒng)，其特點(diǎn)是尺寸更小、質(zhì)量更小、更靈敏精確、更低功耗，可用于精密測量，機(jī)械結(jié)構(gòu)更高的固有頻率，但噪聲大， 加工難度大。對社會的影響：新型材料、生物與醫(yī)學(xué)、能源、環(huán)境、國土安區(qū)和反恐、科學(xué)發(fā)展微納米技

3、術(shù)的應(yīng)用 微納力學(xué)傳感器包括微慣性、壓力傳感器、應(yīng)變力傳感器、觸覺傳感器、微麥克風(fēng)等。壓力傳感器把壓力轉(zhuǎn)換成電信號輸出的傳感器，分為絕對壓力傳感器和差壓傳感器。壓力傳感器應(yīng)用早且廣泛，是目前MEMS最大的市場之一，早期用于汽車發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣管絕對壓力（MAP）測量，另一個重要的應(yīng)用是檢測輪胎壓力，其他的應(yīng)用包括血壓計(jì)、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等方面。微型慣性傳感器包括加速度計(jì)和陀螺，是利用物體的慣性來測量物體運(yùn)動情況的一類傳感 器。加速度計(jì)d3x dxm + b + kx = madt2 dt穩(wěn)態(tài)條件下kx=ma即已知質(zhì)量塊的位移就可以知道外界的加速度。加大慣性質(zhì)量快的質(zhì)量，降低彈簧的等效彈性系數(shù)都可

4、以提高靈敏度。最成功應(yīng)用的是汽車安全氣囊控制的加速度計(jì)，另外還有電子懸掛系統(tǒng)，筆記本電腦里安裝以保護(hù)數(shù)據(jù)，手機(jī)的網(wǎng)頁瀏覽、圖像翻轉(zhuǎn)、游戲等，數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)的防抖、投影儀的傾 斜校正等。軍事領(lǐng)域直接用于武器的安全和保險(xiǎn)，使慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)的重要組成部分。微機(jī)械陀螺振動式陀螺，通過科里奧利力來測量轉(zhuǎn)動角速度。應(yīng)用：防側(cè)翻系統(tǒng)、電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP和剎車防抱死系統(tǒng)（ABS）。由多軸加速度計(jì)和微陀螺組成的微型慣性測量組合（MEMS IMU）可用于導(dǎo)航和自動駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)、人體姿態(tài)檢測，和導(dǎo)航制導(dǎo)、姿態(tài)控制等微麥克風(fēng)特殊的壓力傳感器，把聲壓轉(zhuǎn)換成電信號，應(yīng)用于超薄折疊手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)電話光學(xué)MEMS顯示典型器

5、件：用于投影顯示的數(shù)字驅(qū)動微鏡陣列芯片（DMD ）和數(shù)字光處理器 DLP技術(shù)、光柵光閥（GL"、光柵電子機(jī)械系統(tǒng)（GEMS）、空間光閥（SLV通信光開關(guān)、光可調(diào)衰減器、可調(diào)激光發(fā)射器和濾波器、片上光波導(dǎo)等傳感微型光譜儀、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、電子紙張、可調(diào)激光器等RF MEMS優(yōu)點(diǎn)：微型化、集成化、高Q值、好的隔離度、插入損耗小、信道容量高應(yīng)用：用于射頻收發(fā)前段電路，如無線通訊和GPS開關(guān)/繼電器體積小、重量輕、可批量制造、可與IC集成、加工成本低、可靠性高、功耗低、無諧波失真，串聯(lián)電阻低，優(yōu)異的高頻性能、低插入損耗、高隔離度和高線性度等優(yōu)點(diǎn)電感有源電路的方法得到的微型化電感相噪聲大和功耗

6、大，IC工藝制作出的平面方形螺旋電感由于與襯底存在寄生電容和電磁耦合，加上襯底的電阻較小， Q值過小，采用高阻襯底減小寄生效應(yīng)但無法與電路集成可變電容沒有靜態(tài)電流，信號損耗較小，Q值較高，調(diào)節(jié)范圍更寬，可構(gòu)成相噪聲更小的VCO,可承受很大的電壓變化諧振器和濾波器高Q、與IC工藝兼容、很高的溫度穩(wěn)定性和很低的噪聲微流控系統(tǒng)是驅(qū)動、感測、控制流體的微型器件微流道用微加工方法形成的封閉液體通道，提供流體進(jìn)行微操作的場所，甚至本身作為為流體控制的一種重要手段微閥用于控制流向和流量，最常使用的是單向閥微泵微流控芯片的重要驅(qū)動部件應(yīng)用：微型全分析系統(tǒng)（uTAS或稱芯片實(shí)驗(yàn)室（LOC，噴墨打印頭微納生物傳感

7、器/生物芯片/BioMEMS微納生物傳感器將生物信號轉(zhuǎn)換成電信號或其他可直接測量的信號的器件，更嚴(yán)格意義上來說是一種以生物活性單元（如酶、抗體、核酸、細(xì)胞等）作為敏感單元，對生物信息進(jìn)行檢測的元件。血糖傳感器生物芯片在廣義上指通過為加工技術(shù)和微電子技術(shù)在固體基片表面構(gòu)建的衛(wèi)星生物化學(xué)分析系統(tǒng)，包括生物傳感器，微陣列芯片和前面講過的微型全分析系統(tǒng)（uTAS，從狹義上則專指微陣列-H- LJL心片。可分為基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片。應(yīng)用于食品科學(xué)和醫(yī)學(xué)藥物篩選等BioMEMS生物領(lǐng)域應(yīng)用的 MEMS,狹義定義之包含可動結(jié)構(gòu)或微流控系統(tǒng)地用于生物領(lǐng)域的微器件或 系統(tǒng)（含uTAS ,不包

8、含陣列芯片和單純的生物傳感器。包括uTAS微針和微探針、人造視網(wǎng)膜微能源系統(tǒng)（Power MEMS）重要性：功率器件必須完成小型化、微型化革命，電源尺寸將決定系統(tǒng)尺寸，沒有微型化或小型化的電源裝置提供能源，MEMS系統(tǒng)將難以發(fā)揮微型化優(yōu)勢主要能源：微型電池、發(fā)電機(jī)，微型燃料電池、微型能量采集系統(tǒng)尺寸效應(yīng) 對一個器件和系統(tǒng)的微型化是對其幾何尺寸按一定的比例縮小。理想情況的按比例縮小是各個維度按照一定的比例變化，實(shí)際中往往受到很多功能、物理、技術(shù)限制。小物體有更大的相對表面積。表面積 /體積比按下按線性尺度的倒數(shù)關(guān)系變化，如表面張力 的變大。慣性力2sMF=Afcr = K（0（p）r3慣性力正比

9、于.的四次方。重力加速度不隨尺寸變化，重力按長度的三次方關(guān)系變化，下降 迅速，一些情況下可以忽略 彈性力學(xué)中典型量彈性系數(shù)隨線性尺度線性下降，諧振頻率與線性尺度成反比，噪聲與線性尺度的三次方成反 比。楊氏模量的變化是由于表面層分子的作用在納米尺度下變得更顯著造成的。應(yīng)力應(yīng)力不隨尺寸的縮小而變化。在微結(jié)構(gòu)中更關(guān)心殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力會引起結(jié)構(gòu)的變形甚至 斷裂，影響精度和穩(wěn)定性。熱失配是最常見的殘余應(yīng)力出現(xiàn)的原因，隨著尺寸的縮小，曲率半徑將變小，即變形更加明顯。如果沿著厚度方向應(yīng)力不均勻，存在應(yīng)力梯度，也會引起結(jié)構(gòu)的撓曲。 在微尺度下殘余應(yīng)力和應(yīng)力梯度更顯著，影響也更明顯1. 膜和結(jié)構(gòu)更薄，在同樣應(yīng)

10、力下更容易發(fā)生形變或斷裂2. 薄膜的生長工藝大多涉及到高溫過程，中間會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、晶粒成核等過程，與沉底 通常發(fā)生晶格失配，因此膜中間會存在本征的殘余應(yīng)力，熱處理也會引入附加熱應(yīng)力， 因此造成比體材料中遠(yuǎn)大的殘余應(yīng)力和應(yīng)力梯度3. 剛度相對較小，驅(qū)動力小，殘余應(yīng)力會對器件的性能發(fā)生重大影響，壓應(yīng)力會造成結(jié)構(gòu) 的屈曲，大的張應(yīng)力會使結(jié)構(gòu)斷裂，壓力梯度會引起嚴(yán)重的翹曲，導(dǎo)致功能下降或不能 工作。擊穿電壓隨著間隙的減小靜電場發(fā)生擊穿的電場一樣。帕邢發(fā)現(xiàn)對于空氣，間隙小到一定數(shù)量后, 反而上升。微納米器件結(jié)構(gòu)可以承受更高的電壓。Q輅肌I二一二皿V dU= CV2 =2ddUdCV2IeWL 盧ddd

11、d 22 尹等電壓下靜電力大小不變，等電場下隨.減小。電磁力dU1SL,Ej =二d dxIM隨著尺度的下降而迅速下降。流體力學(xué)粘度/粘性系數(shù)，等于單位速度梯度下的流體所受的剪應(yīng)力。du雷諾數(shù)，定義為流體中慣性力與粘性力的比值。如果流速一定，雷諾數(shù)隨著尺寸縮小線性下降。因此在微尺度下通?？偸菍恿鳎ɡ字Z數(shù)小），使得流體混合困難，只能靠擴(kuò)散。同樣壓差下，體積流速隨半徑的四次方下降，流速隨半徑的平方下降。小尺寸下液體的快速流動不容易。工藝挑戰(zhàn)光刻：衍射和干涉刻蝕：擴(kuò)散、鉆蝕三維結(jié)構(gòu)：檢測和表征本身的檢測和表征困難一一大測?。阂蟾苁侄?、易受干擾、電磁場流場熱場為宏觀測量提供更有力手段一一小測大：

12、在線測量不干擾宏觀場、更準(zhǔn)確快速、新的微觀檢測手段一一小測小理論和計(jì)算宏觀理論：偏離宏觀假設(shè)微觀理論：計(jì)算量極大、多數(shù)難以獲得、難以驗(yàn)證傳感原理與制動原理 傳感原理 基本概念傳感：將一種外界待測變（能）量（物理、化學(xué)、生物等）轉(zhuǎn)化成另一種可以測量、或更適合測量的物理變量（通常是電信號），相應(yīng)的器件叫做傳感器致動：將系統(tǒng)內(nèi)部的能量（通常是電能）轉(zhuǎn)化成可以對外界發(fā)生作用的能量，相應(yīng)的器件叫 做制動器或執(zhí)行器。換能：以上兩者的統(tǒng)稱，將一種能量轉(zhuǎn)變成另一種能量，相應(yīng)的器件稱變送器或變換器。傳感器的基本要求靜態(tài)要求：可用方程 =懐策，其中y為輸出，x為待測量，N表示多種環(huán)境變量。要求1筠是二的單調(diào)函數(shù)，

13、輸入量和輸出量一一對應(yīng)。df df2 線性。滿足S定義為靈敏度。3 是:範(fàn)的恒定函數(shù)。傳感器的輸出不受環(huán)境變化影響。4 .漂移、壽命、重復(fù)性、穩(wěn)定性、分辨率、選擇性等靜態(tài)要求 動態(tài)要求：常用二階近似。如對于加速度計(jì)d 曹dyd3a“喬+吃詢一m麗系統(tǒng)振動的阻尼比1 bE _2Q- 2%nfl對于加速度計(jì)最佳阻尼比為 0.707，此時有最大帶寬；對于陀螺等需要在諧振狀態(tài)下工作的 器件，需要有盡量小的阻尼比（高品質(zhì)因子Q）動態(tài)特性通常包括帶寬、響應(yīng)速度、品質(zhì)因子（阻尼）、抗瞬態(tài)沖擊等。傳感類型I電壓（電荷）式通過敏感單元直接把外界帶測量轉(zhuǎn)換成電壓或電荷的傳感方式。1 .壓電式某些材料的一定方向上施

14、加壓力或拉力，則在材料的一些對應(yīng)表面上分別出現(xiàn)正負(fù)電荷， 稱為壓電效應(yīng)。壓電傳感器是機(jī)械傳感器的主要傳感方式之一，優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快、檢測電路簡單，缺點(diǎn)是無法提供直流響應(yīng)，有頻率檢測下限。壓電效應(yīng)是由內(nèi)部電荷的極化造成的，因此中心對稱的晶體或不定型晶體都不存在壓電效 應(yīng)，常存在于存在不對稱的偶極子的晶體材料。壓電特性可以用壓電系數(shù)表征。傳感器應(yīng)用中，通常采用壓電薄膜。2. 熱電式某些材料或結(jié)構(gòu)，在受到熱或溫差時會產(chǎn)生電荷或電勢差，稱為熱電效應(yīng)。3. 光電式光照射下，物體中的電子脫出的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。分內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。II. 電阻式將被測量的變化轉(zhuǎn)換成傳感器元件電阻式的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變

15、成電信號輸出，是采用最廣泛的傳感方式之一。檢測方式簡單，使用最多的是惠斯通電橋結(jié)構(gòu)壓阻式當(dāng)材料受到應(yīng)力作用時，其電阻會發(fā)生變化，稱為電阻的應(yīng)變效應(yīng)，是力學(xué)傳感器檢測的最 主要機(jī)制之一。對于金屬，應(yīng)力應(yīng)起的電阻率變化較幾何尺寸引起的變化小。半導(dǎo)體在發(fā)生形變時電阻率會發(fā)生顯著變化，稱為壓阻效應(yīng)，電阻率的變化對電阻變化率的貢獻(xiàn)比幾何效應(yīng)高一個數(shù)量級 以上，因此半導(dǎo)體材料比金屬有更高的靈敏度。壓阻效應(yīng)壓力傳感器其他電阻式包括熱阻式、光照改變電阻、吸收水分子或其他氣體改變電阻、磁致電阻變化效應(yīng)（巨磁阻）III .電容式將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化的一種傳感方式。加工簡單，不需要特殊的工藝和材料，

16、分辨率非常高，溫度靈敏性很低，但信號處理復(fù)雜、微納米尺度下信號小、寄生效應(yīng) 影響大，是應(yīng)用最多的傳感方式。檢測方式：通過不同電路將電容轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率信號。采用差分電路的方式來提高線性度和靈敏度，并將工藝變化的影響減到最低。變間距型：當(dāng)間距的變化很小時，電容變化和間距變化成正比。但當(dāng)變化量較大時，不再是 線性的變化。靈敏度高。變面積型：在很大的形變范圍內(nèi)保持線性，但變面積式靈敏度要比變間距式低，要達(dá)到相同的初始電容和電容變化率，占用的面積更大。變介電常數(shù)型IV.諧振式原理:優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字輸出、靈敏度高V.隧道式在金屬針尖與導(dǎo)體之間施加一定的電壓，當(dāng)距離達(dá)到足夠小時，電子會穿越之間的勢壘，形成

17、隧道電流。隧道電流 I與電極間距z之間存在負(fù)指數(shù)關(guān)系。隧道電流與位移之間有很高的相對變化量， 高分辨率，隧道加速度計(jì)直接將位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)?電流變化，容易檢測。但能產(chǎn)生隧道電流的距離非常短， 且電流與距離之間強(qiáng)烈非線性，必 須采用力反饋結(jié)構(gòu)，使距離始終保持在非常小的范圍，需要工作在真空狀態(tài)。其他：電感式、磁電式、光傳感、表面等離子諧振。制動原理微執(zhí)行器最直接的功能是對外界輸出力或力矩，與外界直接發(fā)生作用，包括馬達(dá)、微鑷子、微夾鉗、微泵、微納米操作器件等；微執(zhí)行器還可以作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)，形成多種微納器件和系統(tǒng)，如DMD中旋轉(zhuǎn)鏡面、光開關(guān)的扭轉(zhuǎn)和開合、繼電器的開合、可變電容的調(diào)節(jié)、陀螺振動的產(chǎn)生；此外對

18、于傳感器，力反饋可以提高穩(wěn)定性、增加帶寬、提高線性度，這些力反饋需要由微執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。典型驅(qū)動包括：靜電、壓電、（電）熱、形狀記憶合金（SMA）、氣動、電磁、電潤濕（EWOD）、 生化等 靜電驅(qū)動基于正負(fù)電荷之間的相互作用，通常只有吸引力。特點(diǎn)： 1低空耗，無靜態(tài)功耗；2 .工藝簡單，不需要特殊材料和工藝，易于和CMOS集成；3.驅(qū)動速度快，靜電響應(yīng)速度只取決于機(jī)械特性缺點(diǎn)：驅(qū)動力小，為得到高驅(qū)動力需要很高的驅(qū)動電壓，與電路驅(qū)動不兼容。I.平行板 多數(shù)采用固定電壓式驅(qū)動電容儲能1刊u = -cv3其中（g為加載電壓為0是的初始間距，X為加載后的位移量）-eA靜電力dvacv5£A口

19、F = dx2 2（g-x）E彈性回復(fù)力靜電力與機(jī)械回復(fù)力相等時系統(tǒng)達(dá)到平衡。吸合（Pull-in）效應(yīng)平行板電容驅(qū)動器當(dāng)間距減小到一定值之后突然跳變至接觸，這種現(xiàn)象稱之為吸合。電容間距變化到初始間距的 73處發(fā)生吸合。西和會大大降低平行板驅(qū)動器的行程，但對于 開關(guān)等器件可以減小驅(qū)動電壓，增加驅(qū)動速度。力反饋增加力反饋可以有效地提高穩(wěn)定性、增加帶寬、提高線性度、 減小工藝誤差帶來的影響、提高可靠性。力反饋是通過對可凍結(jié)構(gòu)施加與位移方向相反的靜電力完成的。II. 梳齒驅(qū)動MEMS特有的一類致動結(jié)構(gòu)，也是用得最多的驅(qū)動器。作用力與初始位置和位移無關(guān)，只與電壓的平方成正比，沒有吸合效應(yīng)，驅(qū)動位移大，

20、與間隙g無關(guān)，只與彈簧和梳齒的預(yù)留移動空間有關(guān)。dCV2 h旬,F = -V = nv2 g梳齒在運(yùn)動過程中受到的是滑膜阻尼，容易實(shí)現(xiàn)高Q值，對實(shí)現(xiàn)諧振器等工作在諧振頻率下的器件非常有利。III. 靜電馬達(dá)凸齒與定子電極沒有對準(zhǔn)，轉(zhuǎn)子將受到轉(zhuǎn)動的靜電力。其他：擺動式馬達(dá)。磨損效益使其壽命太低。壓電驅(qū)動壓電致動的機(jī)理是逆壓電現(xiàn)象，在某些晶體的一定方向上施加電壓，則在晶體的一些對應(yīng)的表面上產(chǎn)生壓縮或拉伸。優(yōu)點(diǎn)在于應(yīng)力高（兆帕）、頻帶寬、能量密度高、驅(qū)動電壓相對較低，在傳統(tǒng)的小機(jī)械中有 廣泛的應(yīng)用，位置精度高最大的障礙在于其工藝兼容性，石英工藝、壓電陶瓷等無法與硅加工工藝兼容。（電）熱驅(qū)動熱致動是通

21、過熱膨脹產(chǎn)生運(yùn)動的致動方式。熱可以是焦耳熱或紅外或外加熱。優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動力大缺點(diǎn)：位移小、功耗大、響應(yīng)速度慢雙層膜結(jié)構(gòu)是最常用的熱執(zhí)行器。兩種熱膨脹系數(shù)不同的膜結(jié)合在一起，加熱時由于熱失配而產(chǎn)生彎曲。橫向熱執(zhí)行器結(jié)構(gòu)通過電流會被加熱，但由于寬度不同，下面的被稱為“冷臂”，上面的“熱臂”膨脹，使整個結(jié)構(gòu)沿平面向上偏移。U形熱執(zhí)行器V形熱執(zhí)行器：占據(jù)的面積相對較小，對稱性強(qiáng)，適合于級聯(lián)和組合磁致動電磁力隨尺寸變小顯著，加工困難，但驅(qū)動力仍然更大。有兩種方式：在芯片上加工永磁體， 通過外界施加磁力或電磁力致動；或在片內(nèi)僅加工導(dǎo)線和線圈，通過洛侖茲力實(shí)現(xiàn)驅(qū)動。應(yīng)用：實(shí)現(xiàn)三維組裝、鐵磁材料顆粒與液體混合形成

22、磁流體，通過磁場對磁流體驅(qū)動，應(yīng)用于微流控系統(tǒng)。電潤濕：親水變?yōu)槭杷锬?、燃動發(fā)電機(jī)、離子聚合物 -金屬復(fù)合材料IPMC自頂向下加工 自頂向下：從大的材料開始，通過某種加工方法， 得到微尺寸結(jié)構(gòu)和器件的加工方式， 最典 型的是微電子加工工藝和 MEMS加工技術(shù)自底向上：由小的組元原子、分子和納米單元開始，通過合成、組裝、拼接等方式，構(gòu)成具 有功能的結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)，典型加工方法有自組裝、自組織、納米操作、分子合成等。自頂向下包括硅基微加工技術(shù)和一些新型的特種加工技術(shù)，前者分表面加工技術(shù)和體硅加工技術(shù)，后者包括LIGA（ X射線曝光、微電鑄、微鑄塑）、電火花微加工技術(shù)、電子束微加工 技術(shù)、FIB （聚焦離子束）等。表面加工工藝表面犧牲層工藝指通過在襯底表面淀積不同的薄膜并結(jié)合選擇性腐蝕得到懸浮為結(jié)構(gòu)的一類工藝過程。特點(diǎn)是與IC工藝類似且兼容，容易實(shí)現(xiàn)與IC的單片集成，缺點(diǎn)是只能形成2-D 或準(zhǔn)3-D結(jié)構(gòu)，不能形成