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微纳机电系统

微/纳米科学与技术是当今集机械工程、仪器科学与技术、光学工程、生物医学工程与微电子工程所产生的新兴、边缘、交叉前沿学科技术。微/纳米系统技术是以微机电系统为研究核心,以纳米机电系统为深入发展方向,并涉及相关微型化技术的国家战略高新技术。微机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS ) 和纳机电系统(Nano Electro Mechanical System, NEMS )是微米/纳米技术的重要组成部分,逐渐形成一个新的技术领域。MEMS已经在产业化道路上发展,NEMS还处于基础研究阶段。
从微小化和集成化的角度,MEMS (或称微系统)指可批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路,直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。而NEMS(或称纳系统) 是90年代末提出来的一个新概念,是继MEMS 后在系统特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型机电一体的系统,一般指特征尺寸在亚纳米到数百纳米,以纳米级结构所产生的新效应(量子效应、接口效应和纳米尺度效应) 为工作特征的器件和系统。
、应用前景
由于微/纳机电系统是一门新兴的交叉和边缘学科,学科还处于技术发展阶段,在国内外尚未形成绝对的学科和技术优势;微/纳米技术还是一项支撑技术,它对应用背景有较强的依赖性,目前它的主要应用领域在惯导器件、军事侦察、通信和生物医学领域,以及微型飞机和纳米卫星等产品上。

微/纳米系统技术是与其它广泛学科具有互动作用的重要的综合技术,涉及学科领域广泛。微/纳米系统技术是认识和改造微观世界的高新技术,微/纳米系统是结构集成化、功能智能化的产物。微/纳米系统表现出的智能化程度高、实现的功能趋于多样化。例如,微机电系统不仅涉及到微电子学、微机械学、微光学、微动力学、微流体学、微热力学、材料学、物理学、化学和生物学等广泛学科领域,而且会涉及从材料、设计、制造、控制、能源直到测试、集成、封装等一系列的技术环节。
微/纳米系统技术的发展以之为基础,反过来也将带动相关学科和技术的发展。世界上著名的大学,如美国麻省工学院、加州大学伯克利分校、卡麦基隆大学,以及圣地亚国家实验室等无不把发展微/纳米技术作为重要的研究方面。我国一些著名大学尽管研究方向侧重不一,但也无一例外地重点发展微/纳米技术,实现学科群跨越式发展。

微机电系统在美、欧、日等发达国家已经形成了一个新兴产业,仅美国微机电系统2005年的商业产值预计可达650亿美元。以控制汽车安全气囊展开的微加速度计为例,估计未来几年内,由分立组件构成的传统加速度计将全部被微加速度计所代替。传统加速度计的单件成本超过50美元,而基于MEMS技术的同类微加速度计的单件成本仅为5到10美元。相比之下,微加速度计更小、更轻、更可靠,功能更趋于完善。

现代军事装备正朝着微型化、集成化、高精度方向发展,微机电系统充分适应了这一趋势,特别是在活动空间狭小,操作精度要求高,功能高度集成的航空航天等领域有广阔的应用潜力。微型飞机( UAV)在未来战争中日益显示出特殊地位,成为最具发展潜力的现代作战武器之一;利用微机械数组进行机翼流体状态检测,并通过微致动来实现宏观飞行控制有望改变传统飞机的模式,并改善其机动性能;微型喷射技术可以有效地实现导弹、卫星等航空航天飞行器的飞行姿态控制和调整。在领海内布撒微型传感器形成动态监测网络系统,可以监测敌船活动。在核研究领域,核材料的用量和配比必须精确把握,微量泵、微型传感器等可发挥重要作用,还可用MEMS技术制作引信和开关等。
纳米技术的发展也将带动军事技术的变革。世界各主要军事大国相继制定了名目繁多的军用纳米技术开发计划。美国开发纳米技术的经费中有一半左右来自国防部系统。与传统武器相比,纳米武器具有许多不同的特点与超常性能武器装备系统超微型化、高度智能化;以神经系统为主要打击目标。成本低、体积小,可大量使用。

自80年代末美国首先出现直径为100μm的静电微电机以来,微机电系统研究迅猛发展,各种微驱动器、微传感器、微控制器以及微机器人相继问世,且各种机构趋于高度集成,形成相对完备的微机电系统,整个系统的尺寸缩小到几毫米甚至几百微米。微机电系统在国防、工业、航空航天、生物医学、精密仪表、通信、汽车、环保、生物工程和自动化等领域具有广阔应用前景。具体应用类型有:
1) 生物医学领域: 在此领域内已开发出对细胞进行操作的许多微机械, 如微对象的操作台、微夹钳等。还可利用植入式机器人对人体内脏和血管进行送药、诊断和手术等操作。
2) 流体控制领域: 利用微