基本介紹
- 中文名：納電子機械系統
- 外文名：Nanoelectromechanical System
- 外語縮寫：NEMS
- 特點：超高頻率、低能耗等
NEMS的概述,NEMS的特性,NEMS的加工技術,NEMS的發展方向,NEMS的潛在套用,
NEMS的概述
過去20年中，人們一直在積極地研究MEMS，隨著製作工藝精度的提高，器件尺寸迅速減小，出現了納米尺度的MEMS，這就是納電子機械系統（NEMS）。NEMS是基於MEMS技術而提出的一個新概念，是指在特徵尺寸和效應上具有納米技術特點的一類超小型機電一體化研究領域，包括特徵尺寸在亞納米到數百納米並以納米級結構所產生的量子效應、界面效應和以納米尺度效應為工作特徵的器件和系統，例如納米尺度上的機械設備、電子器件、計算機和感測器。
NEMS技術一出現，就開發出了納機械振盪器和感測器、納機電諧振器等器件原型。NEMS技術在各個領域將會有巨大的生命力。但是，微觀世界的一些特性使NEMS和MEMS區別很大。首先，NEMS器件可以提供很多MEMS器件不能提供的特性和功能，比如超高頻率、低能耗、高靈敏度、對表面質量和吸附性的前所未有的控制能力，以及在納米尺度上的有效驅動方式。但是在小尺度下產生的一些新物理特性將影響器件的操作方式和製造手段。與MEMS相比，NEMS對微加工技術提出了更高的要求，所研究的材料範圍更寬，加工過程的空間分辨力更高。
NEMS的特性
1、 超高頻率
NEMS可以在保留較高機械回響度的基礎上獲得很高的諧振頻率，這兩種特性組合帶來的效應可以直接轉換為很高的力學靈敏度、超低功率下的可操作性，以及在一種適度的控制力下產生有用的非線性化回響的能力。例如用NEMS技術開發的一種器件，功能像一隻納米級耳朵，可通過探測分子運動所誘發的聲波來探測分子運動，探測機理很像人耳。碳納米管所具有的很強的機電耦合，使NEMS諧振器比一般電子諧振器有好得多的性能：Q值可大幾個數量級，諧振頻率可達數吉赫。例如一個由直徑為30nm，長500nm的多壁碳納米管和簡單工藝製作的諧振器，Q 值可達1000，諧振頻率達2GHz。這些特性激發了人們的無限想像，並由此產生了無數實驗與套用的新思路。
2、 超低功率
NEMS器件的功率很小。目前通過電子束刻蝕技術加工成的NEMS器件的功率可以小到
。基於NEMS技術的信號處理器或計算機系統所消耗的能量只有1uW,這比當前同等計算能力的計算機系統消耗的能量少了6個數量級。表1-1中給出了NEMS典型的工作功率電平。
表1-1 NEMS典型的工作功率電平
f0 | Q | Pmin |  |
100MHz | 10000 | 40aW | 40pW |
100MHz | 100000 | 4aW | 4pW |
1GHz | 10000 | 0.4fW | 0.4nW |
1GHz | 100000 | 40aW | 40pW |
NEMS也是固有的超低功率器件。在NEMS信號處理器中即使有100萬個這樣的器件同時工作，整個系統的全部功率損耗也只是幾微瓦，比普通的電子處理器的功率損耗小三四個數量級。
3、 超高品質因數
迄今為止在適當真空條件下獲得的NEMS的Q值在10~10範圍內。這一Q值水平大大超出了電諧振器目的的典型水平。其較低的內部耗散（D=1/Q）賦予NEMS較低的工作功率電平和較高的力靈敏度。對信號處理器件來說，較高的Q值會直接帶來較低的插入損耗。
人們可能期望採用超純單晶半導體材料來製作納米機械諧振器，以獲得極高的品質因數。但採用多晶矽製作的NEMS已獲得了相似的Q值，器件諧振頻率在20MHz範圍內。必須注意到，較大的Q值並不意味著頻寬會減小，並不一定會對性能造成有害的影響。對在1GHz頻率下工作的諧振器而言，即使是100000數量級的極高Q值也可獲得10kHz數量級的頻寬，這一數量級已完全可以滿足許多不同窄帶套用的要求。
4、 超高質量靈敏度
對NEMS諧振器而言，極其小的有效質量與較高的Q值造成其對附加質量有極其高的靈敏度。這一質量靈敏度為一把雙刃劍：它為質量感測提供空前的靈敏度，但這一靈敏度也會使器件的可重複生產能力受到挑戰，甚至難以把握。研究發現，這會給針對工藝殘存物等製作技術的清潔處理提出相當嚴格的要求。NEMS上的吸附物會對其特性產生十分重要的影響，這一點也十分明顯。
NEMS的加工技術
科學研究中的由大到小和由小到大可以同樣套用於NEMS器件的加工製造。由大到小可以生成獨立結構的NEMS 器件，與組裝的NEMS器件相比，它具有系統性強、可靠性高的優點。例如，採用這種方法可以在半導體材料上直接生成NEMS器件。這項技術可以使一些感測器和電阻之類的電子器件及一些機械元素集成在一塊晶片上，大大提高電路的集成化水平，避開在納米尺度上校準不同元件的困難。具體的方法是用光刻刻蝕等微細加工方法，將大的材料割小，形成結構或器件。並與電路集成，實現系統微型化。這是我們熟悉的微電子技術的加工方法。這種技術途徑易於批量化和系統集成。由大到小的技術很昂貴，目前流行的130nm工藝，一套光刻掩模的製作費超過50萬美元；即將批量投產的90nm工藝，一套光刻掩模需要100多萬元；預計2007年開始的65nm工藝，一套光刻掩模需300多萬美元。另外隨著納米尺度的降低，製造成本是大大提高。現在要是進口一套亞微米精度的積體電路生產線需要15億美元，達到0.01um精度那就得需要百億美元，製造成本也越來越大。
另一種納米器件和系統的製造途徑稱為由小到大的途徑，是分子、原子組裝技術的辦法，即把具有特定理化性質的功能分子、原子，藉助分子、原子內的作用力，精細地組成納米尺度的分子線、膜和其他結構，再由納米結構與功能單元進而集成為納系統。這種製造技術反映了納米技術的一種理念，即從原子和分子的層次上設計、組裝材料、器件和系統，是一種很有前途的製作技術。這種加工技術可以實現很多複雜結構的NEMS器件，但目前仍處於起步階段。可以預見在部件的將來，通過精確放置數百萬個原子或者利用一些自組裝的技術，可以構成分子尺度的NEMS器件。與微電子和微系統工藝技術相比，納米尺度的研究涉及更廣範圍的材料和更高空間分辨力的製造工藝。
當前納米結構新材料不斷發現並開發成功，操縱納米尺寸對象的強力工具不斷湧現。由大到小和由小到大這兩方法的差別正在逐漸縮小。所以說，現已進入了以納米技術為基礎構建NEMS和MEMS的新時代。
NEMS的發展方向
NEMS技術潛在的巨大效益將滲透到科技發展的各個領域，從巨觀到微光，從醫藥技術到生命科學，從製造業到信息通信等。世界各地的科技工作者正在積極致力於這一領域的研究。
在生物領域中，許多酶可以充當分子電機，利用這一技術，可以生產有機或無機相結合的NEMS器件，進而生產F1-ATP酶（腺苷三磷酸酶）與NEMS相結合的納米尺寸器件。這項技術將影響當前的納米研究，並且會大大帶動器件的發展。
NEMS技術與生物領域的結合是伴隨著一個被稱為Bio NEMS新概念的出現而產生的。加州理工大學和麻省理工學院的科學家團隊正致力研究Bio NEMS領域的納米尺度懸臂樑，以鑑別生物體獨一無二的動態標識。
基於Bio NEMS色生物晶片技術可以用來檢測生物領域的微小力，具體的方法是用一個納米尺度的懸臂樑感受配合基和感受器之間的作用力來檢測生物分子之間的作用力。NEMS的研究者們正在這個領域探索物理系統與生物系統中同尺度的問題，其成果對生物系統的研究有關鍵作用。
在信息領域中，當前的信息技術是基於微電子器件和微電路的，在未來10年中，這些技術的發展會達到其物理極限。而MEMS或者NEMS會成為下一代信息技術的主要載體。在可以預期的將來，會產生分子超級計算機和在微波頻率下工作的超低能耗的信號處理器。
NEMS技術也會對RF電路的設計帶來深遠影響，其主要的推動力來自NEMS提供的一個高質量的諧振器，它能夠以很高的頻率振動，這是傳統的積體電路無法做到的，同時，NEMS器件在很小的振幅下就可以顯現出一些非線性機械特性。這有助於高靈敏度的諧振器或力感測器的開發。
機械振動器可以直接檢測磁共振系統中單磁自旋導致的磁力，套用這一技術，可以製造分子級解析度的磁共振儀。通過改變巨觀結構下的石英振盪器的諧振頻率，可以測出微小物體質量或者其受力的變化，這一技術可以測量澱積薄膜的厚度。一個質量為
g的細菌與懸臂樑之間產生的附著力也可以用這樣的方法檢測出來。
NEMS技術也影響著無線通信領域，比如基於NEMS技術的電磁仿真和建立對電信號精確描述的機械和熱模型等。
在納米流體學領域有許多化學和生物的反應是在液體環境下進行的。微流體系統可以使化學反應系統小型化，也就是所謂的片上實驗室系統。具體的方法是用微流體系統在一個很小的通道內傳輸液體。在此基礎上產生的納米流體系統，其尺寸可以和流體環境的相關尺寸（包括分子的擴散長度、分子本身的大小等）相當。在這個尺度下，可以用外加電場對水中離子作用，從而驅動和控制單個水分子的運動。可以看出，通過NEMS系統可以開展一些單分子檢測、分析及套用方面的研究，這也是NEMS系統所獨有的能力。
NEMS的潛在套用
毫無疑問，即使在研究初期似乎也可十分清楚地預測到NEMS最終將在許多領域中得到廣泛套用。納米技術除在航空、航天、醫學等民用領域有廣泛的用途之外，在軍事上同樣有著重要的套用價值。納米技術的迅猛發展，特別是微機電系統的初步成功，為軍事科技工作者研製納米武器奠定了物質基礎。他們盡情發揮想像力，研製出千奇百怪的戰場“精靈”。
“蚊子”飛彈。由於納米器件比半導體器件工作速度快得多，可以大大提高武器控制系統的信息傳輸、存儲和處理能力，可以製造出全新原理的智慧型化微型導航系統，使製造武器的隱蔽性、機動性和生存能力發生質的變化。利用納米技術製造的形如蚊子的微型飛彈可以起到神奇的戰鬥效能。納米飛彈直接受電波遙控，可以神不知鬼不覺地潛入目標內部，其威力足以炸毀敵方炮彈、坦克、飛機、指揮部和彈藥庫。
“蒼蠅”飛機。這是一種如蒼蠅般大小的袖珍飛行器，可攜帶各種探測設備，具有信息處理、導航、信號接收和通信能力。其主要功能是秘密部署到敵方信息系統和武器系統的內部或附近監視敵方情況。這些納米飛機可以懸停、飛行，敵方雷達根本發現不了它們。據說它還適應全天候作戰，可以從數百千米外將其獲得的信息傳回己方飛彈發射基地，直接引導飛彈攻擊目標。
“螞蟻士兵”。這是一種通過聲波控制的微型機器人。這些機器人比螞蟻還要小但具有驚人的破壞力。它們可以通過各種途徑鑽進敵方武器裝備中長期潛伏下來。一旦啟用，這些“納米士兵”就會各顯神通，有的專門破壞敵方電子設備，使其短路、毀壞；有的充當爆破手，用特種炸藥引爆目標；有的施放各種化學製劑，使敵方金屬變脆、油料凝結或使敵方人員神經麻痹、失去戰鬥力。
自從9.11恐怖分子攻擊後，對開發能迅速探測病毒、細菌和化學物品的便攜設備提出了新的迫切要求。儘管許多新的技術很有希望，但是能夠對生物恐怖提供早期報警的產品至少還有幾年時間才能上市。納感測器和生物晶片一樣要求將目標分子從環境中提出來並與感測器直接接觸。納感測器使得小型的便攜手持感測系統成為可能。現在許多大學、實驗室和工業界都在尋求開發出一種快速準確識別出有毒材料的便攜裝置，其價值遠遠超出了保護人類免受生物恐怖。
此外還有被人稱為“間諜草”或“沙粒坐探”的形形色色的微型戰場感測器等納米武器裝備。所有這些納米武器組配起來就建成一支獨具一格的“微型軍”。據美國國防部專家透露，美國第一批微型軍將在近期服役，2010年內可大規模套用。納米武器的出現和使用將大大改變人們對戰爭力量對比的看法，使人們重新認識軍事領域數量與質量的關係，產生全新的戰爭理念，使武器裝備的研製與生產更加脫離傳統的數量規模限制，進一步向智慧型化的方向發展，從而徹底變革未來戰爭的面貌。
納米技術在加劇武器裝備微型化的進程中，也將推動軍隊的體制編制發生革命性變革，孕育和產生新的軍兵種。由多種不同功能的納米武器組成的“微型軍團”作為一種全新的作戰力量將出現在未來的戰場上。
