自20世紀(jì)中期以來(lái)，微電子技術(shù)及其加工工藝得到迅速的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，微機(jī)械加工技術(shù) (Micromachining Technology），特別是針對(duì)微型傳感器與微型執(zhí)行器的研究也取得顯著的進(jìn)步。微機(jī)電系統(tǒng)（Micro- Electro - MechanicalSystem, MEMS)是指將微電子器件、微結(jié)構(gòu)與微機(jī)械組件（微傳感器、微執(zhí)行器）集于一體的集成系統(tǒng)，它代表一種在電子領(lǐng)域與其他能源形式進(jìn)行物理量或化學(xué)量交換的系統(tǒng)，是一個(gè)橫跨眾多研究領(lǐng)域的交叉學(xué)科。近年來(lái)，MEMS在以往微電子組件與微機(jī)械組件的基礎(chǔ)上，已經(jīng)逐漸容納交匯其他的學(xué)科領(lǐng)域，包括微熱學(xué)、微光學(xué)、微磁學(xué)、微流體學(xué)、微生物學(xué)、微化學(xué)等，如圖2-16所示。微傳感器與微執(zhí)行器也稱(chēng)為換能器 （Transducer)。

MEMS 加工工藝沿襲自IC產(chǎn)業(yè)，在主要的加工工藝中還保留了許多IC的基本工藝，如光刻、注入、摻雜、濺射、蒸發(fā)、PECVD、LPCVD、氧化、濕法刻蝕等。但是 MEMS 在其發(fā)展的過(guò)程中也逐漸加入了許多具有特色的加工工藝，

如表面微機(jī)械加工 工藝、體硅加工工藝、硅片鍵合工藝、制作高深寬比結(jié)構(gòu)的LIGA 工藝和非硅工藝等。

MEMS 技術(shù)目前主要應(yīng)用在消費(fèi)電子領(lǐng)域，特別是在汽車(chē)與手機(jī)中已得到廣泛的應(yīng)用。例如，其在智能手機(jī)中的應(yīng)用包括陀螺儀、溫度傳感器、濕度傳感器、麥克風(fēng)、顯示傳感器、距離傳感器、光強(qiáng)傳感器等。

此外，MEMS 通常需要集成多種傳感器組件、驅(qū)動(dòng)單元及相關(guān)集成電路處理器，且在理想情況下還需要集成微型能源 （如能量采集器件） 與通信元器件。采用 MEMS 能量采集器件與集成電路、無(wú)線通信模塊組合而成的自供能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖 2-17 所示。

納機(jī)電系統(tǒng) ( Nano-Electro-Mechanical System, NEMS) 是在微機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其典型特征是器件與系統(tǒng)的尺寸為納米量級(jí)。在納米尺度以下，材料表面效應(yīng)、尺度效應(yīng)等一些有別于宏觀尺寸的特性將會(huì)被凸顯出來(lái)，從而主導(dǎo)器件與系統(tǒng)的性能。在材料與工藝方面，納機(jī)電器件不只是微機(jī)電器件的簡(jiǎn)單縮小，在器件上還會(huì)增置一些新型納米材料來(lái)擴(kuò)展NEMS 的功能，如石墨烯、富勒烯（Fullerene）、碳納米管及其他二 維材料和生物材料等。先進(jìn)的電子束曝光及納米壓印等技術(shù)也被廣泛用來(lái)制作 NEMS。

NEMS 目前主要應(yīng)用在具有超高靈敏度的傳感器、生物醫(yī)療器件、高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高頻諧振器等方面。敏感機(jī)理主要包括納米材料與納米結(jié)構(gòu)的電阻響應(yīng)、頻率響應(yīng)、熒光特性、磁響應(yīng)特性等多種物理機(jī)制。例如，在 50μmx6μmx0.17μm的硅懸臂梁 (Cantilever）末端固定一簇碳納米管來(lái)吸附氫氣。該懸臂梁采用靜電激勵(lì)諧振，通過(guò)測(cè)量該器件在10??Pa 真空中的諧振頻率變化可進(jìn)行微小質(zhì)量檢測(cè)。采用反饋電路控制，該懸臂梁的諧振頻率可達(dá) 1MHz，器件在真空中的品質(zhì)因數(shù)高達(dá) 50 000，分辨率為 5×10?1?g。如此高的質(zhì)量檢測(cè)分辦率，相當(dāng)于可以檢測(cè)到 150 萬(wàn)個(gè)氫氣分子。

審核編輯：湯梓紅