納米科技的典型研究方向演示文稿

納米科技的典型研究方向演示文稿目前一頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)（優(yōu)選）納米科技的典型研究方向目前二頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)納米電子學(xué)的研究?jī)?nèi)容在特征長(zhǎng)度為0.1~100nm的納米器件中探測(cè)、識(shí)別與控制單個(gè)量子（如單個(gè)電子、單個(gè)光子、單個(gè)磁通量子、單個(gè)原子和單個(gè)分子等）、少數(shù)幾個(gè)量子或量子波的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（理論）；研究原子、分子人工組裝和自組裝而成的器件（工藝）研究在量子點(diǎn)、量子線和量子點(diǎn)陣內(nèi)單個(gè)量子、少數(shù)幾個(gè)量子或量子波所表現(xiàn)的特征和功能，用于信息的產(chǎn)生、傳遞和交換的器件、電路和系統(tǒng)及其在信息科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用的學(xué)科（應(yīng)用）。目前三頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)應(yīng)對(duì)摩爾定律的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)納米電子器件及其集成電路的兩種可能方式----1.現(xiàn)有的集成電路進(jìn)一步微型化研究開發(fā)更小的最小線寬的加工技術(shù)來加工尺寸更小的電子器件。2.利用納米結(jié)構(gòu)的量子效應(yīng)，研制全新的量子結(jié)構(gòu)體系包括新型的量子效應(yīng)電子器件和零維量子點(diǎn)、一維量子線和二維量子阱等。納米電子器件的加工技術(shù)目前四頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)定義：特征尺寸1.0~10nm的納電子器件。納米電子器件按照電子在島中被限制的程度，定義了納米電子器件的三個(gè)基本種類：量子點(diǎn)（QD）：島以零維自由度限制電子；諧振隧穿器件（RTD）：島以一維或二維自由度限制電子；單電子晶體管（SET）：島以三維自由度限制電子。目前五頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)工作原理：視紫紅質(zhì)具有奇特的光學(xué)循環(huán)特性,可用于儲(chǔ)存信息，起代替計(jì)算機(jī)信息處理和信息存儲(chǔ)的作用。分子計(jì)算機(jī)應(yīng)用幾種生物分子制造分子計(jì)算機(jī)的組件，例如細(xì)菌視紫紅質(zhì)。目前六頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)光計(jì)算機(jī)（光腦）工作原理：靠激光束進(jìn)入由反射鏡和透鏡組成的陣列來對(duì)信息進(jìn)行處理的。特點(diǎn)是平行運(yùn)算。基本電子元件：微小的玻璃塔，其中有一層半導(dǎo)體。激光照射在塔上，捕陷在半導(dǎo)體中的電子被釋放出；視激光的強(qiáng)弱這些電子會(huì)使玻璃塔變得半透明或昏暗；反射回來的訊號(hào)就是一個(gè)位元的數(shù)位信息：是或否、開或關(guān)。目前七頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)生物計(jì)算機(jī)（生物電腦）工作原理：DNA上含有的大量遺傳密碼，相當(dāng)于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，通過與酶的相互作用，可將一種基因代碼通過生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N基因代碼，轉(zhuǎn)變前的基因代碼可作為輸入數(shù)據(jù)，反應(yīng)后的基因代碼可作為運(yùn)算結(jié)果。目前八頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置，基本元件是原子和分子。處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法。原理：量子計(jì)算機(jī)通過利用粒子的量子力學(xué)效應(yīng)，如光子的極化，原子的自旋等來表示0和1以進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)目前九頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)2.2微電子機(jī)械系統(tǒng)（MicroElectronicMechanicalSystems）--------以納米機(jī)械學(xué)為設(shè)計(jì)和工作原理的系統(tǒng)

一分錢硬幣大小、頭發(fā)絲粗細(xì)，這樣的描述語我們都很熟悉。但是，要說一分錢硬幣大小的飛機(jī)，頭發(fā)絲粗細(xì)的馬達(dá)，可能就要瞠目結(jié)舌。微機(jī)電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱為MEMS）就是這樣一些令人“匪夷所思”的微型智能化系統(tǒng):目前十頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)2.2納米微機(jī)械技術(shù)(MEMS)2.2.1MEMS的研究背景2.2.2MEMS的研究?jī)?nèi)容與特點(diǎn)2.2.3MEMS典型器件與系統(tǒng)2.2.4MEMS的加工技術(shù)及其對(duì)制造業(yè)的影響2.2.5MEMS的典型應(yīng)用目前十一頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)對(duì)尺寸微小型化機(jī)械裝置的不斷追求，以適應(yīng)生物、環(huán)境控制、醫(yī)學(xué)、航天航空、數(shù)字通訊、傳感技術(shù)、靈巧武器等領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的要求。60年代以來，微電子技術(shù)滲透到機(jī)械工程各個(gè)領(lǐng)域，機(jī)電一體化為機(jī)械裝置在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能方面都帶來了革命性的變化，也大大促進(jìn)了機(jī)械裝置微小型化的發(fā)展。2.2.1MEMS的研究背景目前十二頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）融合了硅微加工、光刻鑄造成型和精密機(jī)械加工等多種微加工技術(shù)，是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上制作的微傳感器、微執(zhí)行器和微系統(tǒng)，但又區(qū)別于微電子技術(shù)(IC)：在IC中有一個(gè)基本單元，即晶體管。利用這個(gè)基本單元的組合并通過合適的連接，就可以形成功能齊全的IC產(chǎn)品；在MEMS中，不存在通用的MEMS單元，而且MEMS器件不僅工作在電能范疇，還工作在機(jī)械能、磁、熱等范疇。2.2.1MEMS的研究背景目前十三頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)

第一，體積雖小，但功能強(qiáng)。只有一個(gè)紅血球細(xì)胞大小的輪齒體積小，運(yùn)轉(zhuǎn)快，引力和慣性幾乎不產(chǎn)生任何作用。第二，小而結(jié)實(shí)。第三，易于制造。硅片上可制造數(shù)十萬個(gè)微型機(jī)械。納米微機(jī)械的優(yōu)點(diǎn)微型機(jī)械技術(shù)在許多技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域大有可為：微型開關(guān)；微型陀螺儀；無線電對(duì)講機(jī)；微型傳感器；手持式氣象檢測(cè)微系統(tǒng)；微加速度傳感器。目前十四頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)MEMS（MicroElectro-MechanicalSystem）稱為微電子機(jī)械系統(tǒng)或微型機(jī)電系統(tǒng)。是指那種外形輪廓尺寸在毫米量級(jí)以下，構(gòu)成它的機(jī)械零件和半導(dǎo)體元器件尺寸在微米—納米量級(jí)，可對(duì)聲、光、熱、磁、運(yùn)動(dòng)等自然信息進(jìn)行感知、識(shí)別、控制和處理的微型機(jī)電裝置。是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。什么是MEMS/NEMS？

2.2.2

MEMS的研究?jī)?nèi)容關(guān)鍵詞：機(jī)械裝置的微小型化，機(jī)電一體化目前十五頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)換句話說：MEMS是在現(xiàn)代微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新的科學(xué)技術(shù)，它融合了微電子與精密機(jī)械制作技術(shù)，能集成微傳感器、微執(zhí)行器，以及微信號(hào)處理與微控制電路、接口到一個(gè)芯片上，使信息的獲取、處理和執(zhí)行片上系統(tǒng)化成為可能，使許多產(chǎn)品集成化、微型化、智能化，成倍提高器件和系統(tǒng)的功能密度。微電子機(jī)械和納米技術(shù)的研究覆蓋了亞微米到納米尺寸的特征范圍，它主要依靠光刻和圖形轉(zhuǎn)換設(shè)備和工藝獲得，但又不僅限于半導(dǎo)體加工范疇。

目前十六頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)MEMS的特點(diǎn)微型化

體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短。機(jī)械電氣性能優(yōu)良

以硅為主要材料，硅的強(qiáng)度、硬度、模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。批量生產(chǎn)

用硅微加工工藝在一片硅片上可同時(shí)制造成百上千個(gè)微型機(jī)電裝置或完整的MEMS。

高集成化

（智能化、多功能）

把不同功能、不同敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的、可靠性、穩(wěn)定性很高的MEMS微系統(tǒng)。多學(xué)科交叉涉及到多種學(xué)科的交叉、多種加工技術(shù)的應(yīng)用以及新原理和新結(jié)構(gòu)的探索等，引起了諸多領(lǐng)域的微型化革命。目前十七頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)

MEMS技術(shù)的目標(biāo)：通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。學(xué)科涉及范圍：典型的多學(xué)科交叉的前沿性研究領(lǐng)域，集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體，幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。目前十八頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)具體研究?jī)?nèi)容（三個(gè)基本方面）1.基礎(chǔ)理論研究在當(dāng)前MEMS所能達(dá)到的尺度下，宏觀世界基本的物理規(guī)律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來的影響，許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大區(qū)別，原來的理論基礎(chǔ)都會(huì)發(fā)生變化，如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、微觀摩擦機(jī)理等，因此有必要對(duì)微動(dòng)力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、微摩擦學(xué)、微光學(xué)和微結(jié)構(gòu)學(xué)進(jìn)行深入的研究。這一方面的研究往往需要多學(xué)科的學(xué)者進(jìn)行基礎(chǔ)研究。目前十九頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)基礎(chǔ)理論研究1.尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)2.微流體力學(xué)3.力學(xué)和熱力學(xué)基礎(chǔ)4.微機(jī)械特性和微摩擦學(xué)5.微光學(xué)的基礎(chǔ)理論

目前二十頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)設(shè)想的分子軸承目前二十一頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)圖：分子轉(zhuǎn)子的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算目前二十二頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)分子轉(zhuǎn)子的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬目前二十三頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)2.技術(shù)基礎(chǔ)研究

分為以下幾個(gè)方面：（1）設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)；（2）材料與加工技術(shù)；（3）封裝與裝配技術(shù)；（4）測(cè)量與測(cè)試技術(shù)；（5）集成與系統(tǒng)技術(shù)等。目前二十四頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)硅微加工的工藝：一種類似于集成電路設(shè)計(jì)和制造的新工藝。把傳感器、電動(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上形成一個(gè)系統(tǒng)。特點(diǎn)：部件小，刻蝕的深度要求數(shù)百微米；允許誤差極小。深槽刻蝕技術(shù)出現(xiàn)后，圍繞該技術(shù)發(fā)展了多種新型加工工藝。以

加工與封裝技術(shù)為例目前二十五頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)開發(fā)各種制造MEMS的技術(shù)，將MEMS技術(shù)與航空航天、信息通信、生物化學(xué)、醫(yī)療、自動(dòng)控制、電子以及兵器等應(yīng)用領(lǐng)域相結(jié)合，制作出符合各領(lǐng)域要求的微傳感器、微執(zhí)行器、微結(jié)構(gòu)等MEMS器件與系統(tǒng)。3.應(yīng)用研究目前二十六頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)

各式各樣的MEMS器件，已成功地應(yīng)用于自動(dòng)控制、信息、生化、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、航空航天和國防軍事等領(lǐng)域。其中微型壓力傳感器、微加速度計(jì)、噴墨打印機(jī)的微噴嘴和數(shù)字微鏡顯示器件（DMD）已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。美國ADI公司的集成加速度計(jì)系列已經(jīng)大量生產(chǎn)，占據(jù)了汽車安全氣囊的大部分市場(chǎng)，年銷售額約為2億美元；TI公司(德州儀器)利用MEMS技術(shù)生產(chǎn)的DMD顯示設(shè)備，占有高清晰投影儀市場(chǎng)的大部分份額。目前領(lǐng)先的應(yīng)用領(lǐng)域：汽車、醫(yī)療和環(huán)境；正在增長(zhǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域：通信、機(jī)構(gòu)工程和過程自動(dòng)化；還在萌芽的應(yīng)用領(lǐng)域：家用/安全、化學(xué)/配藥和食品加工。

主要應(yīng)用領(lǐng)域：目前二十七頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)舉例：微電子機(jī)械系統(tǒng)在通信中的應(yīng)用

（1）納米衛(wèi)星。一種尺寸減小到最低限度的微型衛(wèi)星，質(zhì)量通常小于0.1kg。它是未來衛(wèi)星發(fā)展的“革命性突破”。一種簡(jiǎn)單的納米衛(wèi)星可以由外表帶有太陽能電池和天線、在硅基片對(duì)砌的專用集成微型儀器組成。

（2）微光電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)。目前最前沿的微機(jī)械研究領(lǐng)域。微光學(xué)器件主要產(chǎn)品有：微光學(xué)開關(guān)陣列、光纖連接耦合器等。

目前二十八頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)

（1）基因分析和遺傳診斷。微加工技術(shù)制造各種微泵、微閥、微攝子、微溝槽、微器皿和微流量計(jì)的器件適合于操作生物細(xì)胞和生物大分子。（2）介入治療。現(xiàn)有介入治療儀器價(jià)格貴體積大，而且治療時(shí)儀器進(jìn)入體內(nèi)，而判斷和操作的醫(yī)生再體外，很難保證操作的準(zhǔn)確性。MEMS如人體腔道診療微系統(tǒng)、微型血液（生化）檢測(cè)微系統(tǒng)可進(jìn)入很小的器官和組織，自動(dòng)地進(jìn)行細(xì)微精確的操作，大大提高介入治療的精度，

降低風(fēng)險(xiǎn)。舉例：微電子機(jī)械系統(tǒng)在醫(yī)療和生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用目前二十九頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)（1）微型慣性傳感器。采用納米技術(shù)制作的微型慣性傳感器，其尺寸和價(jià)格可減少幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于MEMS技術(shù)的進(jìn)步，已開發(fā)出多種類型的微加速度計(jì)，如壓阻型、電容型、隧道型、熱敏型等。另一個(gè)大量應(yīng)用于汽車的MEMS傳感器是角速度計(jì)，用于車輪側(cè)滑和打滾控制。

（2）慣性測(cè)量組合。美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）正在開發(fā)采用光纖陀螺的MIMU與全球定位系統(tǒng)(GPS)的組合系統(tǒng)。GPS信號(hào)用于校正慣性漂移誤差，當(dāng)GPS信號(hào)被干擾后，慣性系統(tǒng)能自主工作。此項(xiàng)計(jì)劃稱它為“GPS制導(dǎo)包”。該技術(shù)將對(duì)軍用和民用飛機(jī)的環(huán)狀激光陀螺形成挑戰(zhàn)。舉例：微電子機(jī)械在汽車工業(yè)和宇航中的應(yīng)用

------MEMS器件應(yīng)用最成功、數(shù)量最大的產(chǎn)業(yè)。

目前三十頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)此外，現(xiàn)代汽車采用的安全氣囊、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）、電噴控制、轉(zhuǎn)向控制和防盜器等系統(tǒng)都使用了大量的MEMS器件。為了防止汽車緊急剎車時(shí)發(fā)生方向失控和翻車事故，目前各汽車制造公司除了裝備ABS系統(tǒng)之外，又研制出電子穩(wěn)定程序（ESP）系統(tǒng)與ABS系統(tǒng)配合使用。發(fā)生緊急剎車情況時(shí)，這一系統(tǒng)可以在幾微秒之內(nèi)對(duì)每個(gè)車輪進(jìn)行制動(dòng)，以穩(wěn)定車輛行車方向。舉例：微電子機(jī)械在汽車工業(yè)和宇航中的應(yīng)用

------MEMS器件應(yīng)用最成功、數(shù)量最大的產(chǎn)業(yè)。

目前三十一頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)納米技術(shù)在軍事上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在把納米技術(shù)轉(zhuǎn)化為微型武器裝備系統(tǒng)技術(shù)，其核心是運(yùn)用微型機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)武器裝備袖珍化，以替代現(xiàn)有的重型武器裝備：“螞蟻士兵”：僅為螞蟻大小，背部裝有一枚微太陽能電池作動(dòng)力的微型機(jī)器人，有可觀的破壞力。通過聲音控制，它可以神不知鬼不覺地潛入到敵軍要害部門或部位。它根據(jù)指令可執(zhí)行三大任務(wù)：充當(dāng)遙控探測(cè)器；充當(dāng)殺手，專門“吞咬”破壞敵電腦網(wǎng)絡(luò)與通信線路；充當(dāng)作戰(zhàn)平臺(tái)，既可干排雷等危險(xiǎn)的工作，又可到千里之外去搜尋情報(bào)。美國稱5年內(nèi)將有一批“微型軍”服役。舉例：納米技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用目前三十二頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)微型探測(cè)器和微型地雷：按一般的密度投放到需要控制的軍事敏感區(qū)。通過微觀裝置煥發(fā)出來的巨大戰(zhàn)爭(zhēng)威力而使敵方宏觀作戰(zhàn)體系“突然癱瘓”。

“蒼蠅”機(jī)器蟲：既可用飛機(jī)、火炮和步兵武器投放，也可人工放置在敵信息系統(tǒng)和武器系統(tǒng)附近，大批機(jī)器“蒼蠅”可在一個(gè)地區(qū)形成高效偵察監(jiān)視網(wǎng)，大大提高戰(zhàn)場(chǎng)信息獲取的數(shù)量和質(zhì)量。如果再給“蒼蠅”安上某種極小的彈頭，它們就會(huì)變成"蜇人的黃蜂"。

舉例：納米技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用目前三十三頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)納米武器納米武器：利用納米技術(shù)將武器做得很小,或者將武器建立在納米級(jí)材料基礎(chǔ)上。由于與傳統(tǒng)武器制造方法有很大區(qū)別，武器性能也就很有別于常規(guī)武器。納米武器從研究走向?qū)嵱糜?大關(guān)鍵：一、研制納米材料；二、尋求超精度微加工方法；三、做出微機(jī)電系統(tǒng)。目前三十四頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)有趣的納米武器納米沖鋒槍以色列研制成功微型烏齊83式?jīng)_鋒槍；德國研制出長(zhǎng)325毫米，重2千克的微型超短型沖鋒槍，可藏入衣服、公文包內(nèi)，不易被發(fā)現(xiàn)。納米炸彈密歇根大學(xué)研制的這種炸彈是一些分子大小的小液滴，其大小只有針尖的1/5000，作用是炸毀危害人類的各種微小“敵人”，其中包括含有致命生化武器炭疽的孢子。納米飛機(jī)一種袖珍飛行器，可攜帶各種探測(cè)設(shè)備，具有信息處理、導(dǎo)航和通訊能力。目前三十五頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)有趣的納米武器微型間諜飛行器僅15厘米長(zhǎng)，能飛一小時(shí)以上，不僅能在建筑物間穿行，還可附在建筑物或設(shè)備上進(jìn)行偵察飛行。

“間諜草”

戰(zhàn)場(chǎng)微型傳感網(wǎng)絡(luò)，裝有敏感電子偵察器、照相機(jī)和感應(yīng)器，具有人的“視力”功能，可將感受到的如坦克車行進(jìn)等情報(bào)傳回指揮部。

目前三十六頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)微型傳感器；MEMS的重要組成部分。1962年第一個(gè)硅微型壓力傳感器問世，開創(chuàng)了MEMS的先河?，F(xiàn)在已經(jīng)形成產(chǎn)品和正在研究中的微型傳感器有：壓力、力、力矩、加速度、速度、位置、流量、電量、磁場(chǎng)、溫度、氣體成分、濕度、pH值、離子濃度和生物濃度、微陀螺、觸覺傳感器等等。微型傳感器正朝著集成化和智能化的方向發(fā)展。2.2.3MEMS典型器件與系統(tǒng)目前三十七頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)微型執(zhí)行器；微型電機(jī)是一種典型的微型執(zhí)行器，可分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩類；其它還有微開關(guān)、微諧振器、微閥、微泵等。把微型執(zhí)行器分布成陣列可以收到意想不到的效果，如：可用于物體的搬送、定位，用于飛機(jī)的靈巧蒙皮。微型執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)方式主要有：靜電驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)、熱雙金屬驅(qū)動(dòng)、熱氣驅(qū)動(dòng)等等。2.2.3MEMS典型器件與系統(tǒng)目前三十八頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)納米尺度的齒輪相當(dāng)于圖中螞蟻拿著的微型齒輪的萬分之一目前三十九頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)8mm大小的壓電超聲微電機(jī)返回1987年，美國人發(fā)明的微馬達(dá)引起國際學(xué)術(shù)界的轟動(dòng)。1993年，采用該技術(shù)成功地將微型加速度計(jì)商品化，并大批量應(yīng)用于汽車防撞氣囊，標(biāo)志著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)商品化的開端。

目前四十頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)外徑分別為(a)0.25mm和(b)0.15mm的壓電微電機(jī)

目前四十一頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)3.微型光機(jī)電器件和系統(tǒng)

MEMS與光學(xué)領(lǐng)域的結(jié)合是微電子技術(shù)應(yīng)用的又一次革命性實(shí)驗(yàn)。寬帶的多波段光纖網(wǎng)絡(luò)將成為信息時(shí)代的主流，光通信中光器件的微小型化和大批量生產(chǎn)成為迫切的需求。MEMS技術(shù)與光器件的結(jié)合恰好能滿足這一要求并成為MEMS領(lǐng)域中一個(gè)重要研究方向。

4.微型生物化學(xué)芯片

利用微細(xì)加工工藝，在厘米見方的硅片或玻璃等材料上集成樣品預(yù)處理器、微反應(yīng)器、微分離管道、微檢測(cè)器等微型生化功能器件、電子器件和微流量器件的微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的分析儀器相比，除體積小以外，還具有分析時(shí)間短，樣品消耗少，能耗低，效率高等優(yōu)點(diǎn)?？蓮V泛用于臨床、環(huán)境臨測(cè)、工業(yè)實(shí)時(shí)控制等。典型應(yīng)用：基因測(cè)序過程。

“本世紀(jì)最后一次技術(shù)革命"。2.2.3MEMS典型器件與系統(tǒng)目前四十二頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)光電子機(jī)械工程學(xué)目前四十三頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)微型機(jī)器人現(xiàn)在科學(xué)家正在研制的微型機(jī)器人，能在桌面大小的地方組裝象硬盤驅(qū)動(dòng)器之類的精密小巧的產(chǎn)品。隨著電子器件的不斷縮小，組裝時(shí)要求的精密度也在不斷增加。微型飛行器指長(zhǎng)、寬、高均小于15cm，重量不超過120克，并能執(zhí)行軍事任務(wù)的飛行器。設(shè)計(jì)目標(biāo)是有16公里的巡航范圍，能以30～60公里/小時(shí)的速度連續(xù)飛行20～30分鐘。美國陸軍計(jì)劃把這種微型飛行器裝備廣泛地用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察、通信中繼和反恐活動(dòng)。2.2.3MEMS典型器件與系統(tǒng)目前四十四頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)2.2.3MEMS典型器件與系統(tǒng)微型動(dòng)力系統(tǒng)

以電、熱、動(dòng)能或機(jī)械能的輸出為目的，毫米到厘米級(jí)尺寸，產(chǎn)生十瓦級(jí)的功率的發(fā)動(dòng)機(jī)。美國從1996年開始利用MEMS加工技術(shù)研究制作微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，包括空氣壓縮機(jī)、渦輪機(jī)、燃燒室、燃料控制系統(tǒng)（泵、閥、傳感器等）、以及電啟動(dòng)馬達(dá)/發(fā)電機(jī)，已在硅片上制作出渦輪機(jī)模型。目標(biāo)是1cm直徑并最終產(chǎn)生100W的電力。

目前四十五頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)MIT正在研究一種微型雙級(jí)元火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。它由5到6片硅片疊在一起組成。硅征上制作有燃燒室、噴嘴、微泵、微閥及冷卻管道。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)約長(zhǎng)15mm，寬12mm，厚2.5mm。使用液態(tài)氧和乙醇作燃料，預(yù)計(jì)能產(chǎn)生15N的推力，推力重量比是目前大型火箭的10～100倍。美國TRW公司、航空航天公司和加州理工學(xué)院（CIT）組成的研究小組提出了一個(gè)“數(shù)字推進(jìn)概念”方案，在這個(gè)方案中，將有104～106個(gè)微推進(jìn)器被集成到一塊直徑為10cm的硅片上。并已研制出了3×5的微推進(jìn)器陣列。

7.微型動(dòng)力系統(tǒng)舉例目前四十六頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)細(xì)小工業(yè)管道機(jī)器人移動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)先行者類人形機(jī)器人目前四十七頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)微型飛行器MIT（麻省理工學(xué)院）設(shè)計(jì)的微型飛行器，預(yù)計(jì)其飛行速度為30～50公里/小時(shí)，可在空中停留1小時(shí)，有偵察及導(dǎo)航能力。目前四十八頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)機(jī)器蠅主要功能是秘密部署到敵方信息系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的內(nèi)部或附近，監(jiān)視地方情況。這種納米飛機(jī)可以旋停、低飛、高飛，雷達(dá)根本發(fā)現(xiàn)不了它們。它還適應(yīng)全天候作戰(zhàn)，可以從數(shù)百公里外，將其獲得的信息傳回己方導(dǎo)彈發(fā)射基地，直接直接引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)。目前四十九頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)肌肉是由許多微小的細(xì)胞構(gòu)成的，這些細(xì)胞協(xié)調(diào)統(tǒng)一進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，而每一個(gè)細(xì)胞都是一個(gè)復(fù)雜構(gòu)造，分別有許多種類的分子構(gòu)成。生物就是這樣，由納米水平的多層次構(gòu)造而成，而這樣的構(gòu)造在工業(yè)加工上予以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)尚未出現(xiàn)。讓我們來探討：目前我們能夠進(jìn)行什么樣的納米加工呢？

MEMS的加工技術(shù)我們能夠進(jìn)行什么樣的納米加工？目前五十頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)以美國為代表的化學(xué)腐蝕或集成電路工藝技術(shù)即對(duì)硅材料進(jìn)行加工，形成硅基MEMS器件。以日本為代表的傳統(tǒng)機(jī)械加工手段即利用大機(jī)器制造出小機(jī)器，再利用小機(jī)器制造出微機(jī)器的方法。以德國為代表的LIGA（光刻、電鑄和注塑）技術(shù)即利用Ｘ射線光刻技術(shù)，通過電鑄成型和注塑形成深層微結(jié)構(gòu)的方法。

MEMS的加工技術(shù)制造MEMS的加工技術(shù)主要有三種：目前五十一頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)MEMS加工技術(shù)研究歷史：起源：從半導(dǎo)體加工工藝中發(fā)展起來的硅平面工藝和體硅工藝。八十年代中期以后：利用X射線光刻、電鑄、及注塑技術(shù)，形成了MEMS加工的另一個(gè)體系，包括硅表面加工和體加工的硅微細(xì)加工、注塑加工和利用紫外光刻的準(zhǔn)注塑加工、微細(xì)電火花加工、超聲波加工、等離子體加工、激光加工、離子束加工、電子束加工、立體光刻成形等。MEMS的封裝技術(shù)也很重要。此外，傳統(tǒng)的精密機(jī)械加工技術(shù)在制造微小型機(jī)械方面仍有很大潛力。目前五十二頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)

MEMS的加工技術(shù)超精密機(jī)械加工技術(shù)

硅微細(xì)加工技術(shù)

光刻技術(shù)

蝕刻技術(shù)

高能束刻蝕技術(shù)

犧牲層技術(shù)

掃描探針顯微鏡(SPM)加工技術(shù)LIGA及準(zhǔn)LIGA技術(shù)

特種微細(xì)加工技術(shù)

鍵合技術(shù)

外延技術(shù)微細(xì)立體光刻技術(shù)

集成機(jī)構(gòu)制造技術(shù)

目前五十三頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)制造技術(shù)的發(fā)展方向——超精密加工：加工精度將達(dá)到1nm，包含超精密切削、超精密磨削研磨和精密特種加工等三個(gè)方面。大大提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，穩(wěn)定性和可靠性，促進(jìn)產(chǎn)品的小型化，增強(qiáng)零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率，促進(jìn)自動(dòng)化裝配。微機(jī)械加工：微型機(jī)械尺寸在1nm～1μm的機(jī)械。集微型機(jī)構(gòu)、微型傳動(dòng)器以及信號(hào)處理和控制電路，甚至外圍接口電路、通訊電路和電源等為一體的微型機(jī)電系統(tǒng)，遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)械的概念和范疇，其應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。超高速切削：IBAG公司推出的靜壓軸承電主軸，使用壽命大約2萬小時(shí)；目前國際市場(chǎng)上電主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)15萬r/min或更高轉(zhuǎn)速。高速NC機(jī)床快移速度也達(dá)120m/min，進(jìn)給加減速度發(fā)展到2g。在工作可靠性上，機(jī)床無故障工作時(shí)間達(dá)到20萬小時(shí)。

目前五十四頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)納米技術(shù)對(duì)制造業(yè)的影響從根本上改變傳統(tǒng)的壓、切、鑄、車、銑、刨、磨等制造方式，從分子和原子開始制造產(chǎn)品：納米裝配機(jī)處理原子就象計(jì)算機(jī)處理信息一樣，不花成本。隨著電子、機(jī)械產(chǎn)品微小化的發(fā)展趨勢(shì)，未來10年，微機(jī)械（Micromachine）與微機(jī)電MEMS產(chǎn)業(yè)將逐漸取代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)成為主流產(chǎn)業(yè)，為此日本、美國一些著名企業(yè)均開始加強(qiáng)其MEMS組件／模塊制造能力。目前五十五頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)掃描探針顯微鏡(SPM)加工技術(shù)目前五十六頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)目前五十七頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)用光刻技術(shù)作成的微機(jī)械目前五十八頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)目前五十九頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)2.2.5MEMS的典型應(yīng)用噴墨字頭

噴墨字頭

噴墨字頭：原理：由噴嘴、噴嘴板（具小孔）與硅質(zhì)容槽板（具有墨水槽、振動(dòng)板）所構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)。制作步驟：三維多段干式蝕刻技術(shù)(DEEP-RIE深層干式蝕刻+多段光學(xué)平版印刷)制作多段噴嘴，再利用兩段異方性濕式蝕刻制作高精度硅質(zhì)容槽，之后制作高平坦度的振動(dòng)板，最后再用陽極接合技術(shù)將上述元件組合成高精度電極間距(airgap)。目前六十頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)DC電壓施加于振動(dòng)板與ITO電極之間，振動(dòng)板就會(huì)撓曲貼附在ITO電極上，此時(shí)墨水會(huì)依照設(shè)計(jì)流量通過小孔流入墨水槽內(nèi)，當(dāng)DC電壓迅速切斷時(shí)振動(dòng)板就回到原位置，造成墨水槽內(nèi)的壓力急速上升，擠壓墨水并由噴嘴噴出。目前六十一頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)泵是用于流體操作的最普通的機(jī)械，從生物、化學(xué)用的便攜式機(jī)器到超小型人造地球衛(wèi)星，在各種系統(tǒng)不斷超微化的發(fā)展過程中，用來輸送液體或氣體的超微型泵的需求不計(jì)其數(shù)，若能采用與半導(dǎo)體精細(xì)加工同樣的方法來制造泵或流路，就可以將泵與電路及傳感器一體化，從而研制出全新的系統(tǒng)。超微型泵：目前六十二頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)孔穴兩側(cè)設(shè)有電極，被電解液稀釋的血球通過孔穴時(shí)電極的阻抗值會(huì)發(fā)生變化。實(shí)際測(cè)量時(shí)只需對(duì)兩側(cè)電極施加電壓，粒子通過孔穴時(shí)便可獲得與粒子的體積成一定比例的阻抗值變化信號(hào)，利用這種動(dòng)作原理測(cè)量血球數(shù)量。血球量測(cè)用平面感應(yīng)器目前六十三頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)納米機(jī)器人微型機(jī)器人的設(shè)計(jì)是基于分子水平的生物學(xué)原理。事實(shí)上，細(xì)胞本身就是一個(gè)活生生的納米機(jī)器，細(xì)胞中的每一個(gè)酶分子也就是一個(gè)個(gè)活生生的納米機(jī)器人。納米技術(shù)與仿生學(xué)結(jié)合可使生物物理學(xué)家仿照生命過程的各個(gè)環(huán)節(jié)制造出各種各樣的微型機(jī)器人。納米微型機(jī)器人是十分引人注目的研究方向，納米生物機(jī)器人不僅其速度、效率比現(xiàn)代機(jī)器人大為提高，而且應(yīng)用范圍之廣、功能之特殊、污染程度之低也是現(xiàn)代機(jī)器人無法比擬的。我國已經(jīng)完成研制微小型智能化納米機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)—納米級(jí)微驅(qū)動(dòng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)開發(fā)階段，使研究微小型智能化納米機(jī)器人成為可能。目前六十四頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)我是納米機(jī)器人我是一個(gè)分子機(jī)器人居然這么小？納米機(jī)器人是由微驅(qū)動(dòng)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)交叉結(jié)合產(chǎn)生的，主要用來完成高精度定位、移動(dòng)任務(wù)，操作精度可達(dá)幾納米，運(yùn)動(dòng)范圍在幾十到幾百納米之間，可準(zhǔn)確接受外界指令。目前六十五頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)納米機(jī)器人美國研制出一種被認(rèn)為是世界上最小機(jī)器人的納米機(jī)器人。這種機(jī)器人可以代替人去完成許多危險(xiǎn)的工作，如排除地雷、以及尋找失蹤者。這部機(jī)器人僅重約28克，體積約幾立方厘米。它還擁有一個(gè)智慧的“大腦”和靈活的“腿”，這種超小型機(jī)器人能放在硬幣上。目前六十六頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)納米生物部件與納米無機(jī)化合物及晶體結(jié)構(gòu)“部件”相組合，用納米微電子學(xué)控制形成納米機(jī)器人，尺寸比人體紅血球小，能周游于人體微觀世界而不被免疫系統(tǒng)排斥。

納米機(jī)器人通過把多種功能納米機(jī)器人注入血管內(nèi)，在血液中循環(huán)，使它們可在人體內(nèi)作巡回醫(yī)療，對(duì)身體各部位進(jìn)行檢測(cè)、診斷，查出病理細(xì)胞，并實(shí)施特殊治療，完成醫(yī)生不能完成的血管修補(bǔ)等“細(xì)活兒”。納米機(jī)器人準(zhǔn)確的直接打通腦血栓，清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物，減少心血管疾病的發(fā)病率，隨時(shí)清除人體中的一切有害物質(zhì)，吞噬病毒激活細(xì)胞能量，保持身體健康，延長(zhǎng)壽命。目前六十七頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)

納米機(jī)器人也是納米生物學(xué)中最具有誘惑力的內(nèi)容第一代納米機(jī)器人是生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體，這種納米機(jī)器人可注入人體血管內(nèi)，進(jìn)行健康檢查和疾病治療。還可以用來進(jìn)行人體器官的修復(fù)工作、作整容手術(shù)、從基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安裝在基因中，使機(jī)體正常運(yùn)行。第二代納米機(jī)器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置。第三代納米機(jī)器人將包含有納米計(jì)算機(jī)，是一種可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話的裝置。這種納米機(jī)器人一旦問世將徹底改變?nèi)祟惖膭趧?dòng)和生活方式。目前六十八頁\總數(shù)七十四頁\編于十二點(diǎn)天然的分子馬達(dá)如：驅(qū)動(dòng)蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物體內(nèi)參與了胞質(zhì)運(yùn)輸、DNA復(fù)制、細(xì)胞分裂、肌肉收縮等一系列重要生命活動(dòng)。它包括線性推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)式兩大類。線性分子馬達(dá)是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并沿著一條線性軌道運(yùn)動(dòng)的生物分子，主要包括肌球蛋白、驅(qū)動(dòng)蛋白、