纳米科技的典型研究方向-2.ppt

上节重点,纳米科技的分类； 摩尔定律及其遇到的严重挑战； 纳米电子学； 典型的纳米电子器件； 纳米计算机摩尔定律：每隔18个月，新芯片的集成度将提高一倍，同时性能提高一倍摩尔定律遇到的严重挑战： 挑战一：达到了决定线宽的集成电路光刻加工的物理极限（100nm）后,现行的微电子学工艺很难再有所作为 挑战二：器件内电子行为的限制和器件功耗过大的限制纳米电子学的研究内容,在特征长度为0.1~100 nm的纳米器件中探测、识别与控制单个量子（如单个电子、单个光子、单个磁通量子、单个原子和单个分子等）、少数几个量子或量子波的运动规律（理论）； 研究原子、分子人工组装和自组装而成的器件（工艺） 研究在量子点、量子线和量子点阵内单个量子、少数几个量子或量子波所表现的特征和功能，用于信息的产生、传递和交换的器件、电路和系统及其在信息科学技术中应用的学科（应用）应对摩尔定律的挑战，实现纳米电子器件及其集成电路的两种可能方式----,1. 现有的集成电路进一步微型化 研究开发更小的最小线宽的加工技术来加工尺寸更小的电子器件 2.利用纳米结构的量子效应，研制全新的量子结构体系 包括新型的量子效应电子器件和零维量子点、一维量子线和二维量子阱等。

纳米电子器件的加工技术,定义：特征尺寸1.0~10nm的纳电子器件纳米电子器件,按照电子在岛中被限制的程度，定义了纳米电子器件的三个基本种类： 量子点（QD）：岛以零维自由度限制电子； 谐振隧穿器件（RTD）：岛以一维或二维自由度限制电子； 单电子晶体管（SET）：岛以三维自由度限制电子工作原理：视紫红质具有奇特的光学循环特性,可用于储存信息，起代替计算机信息处理和信息存储的作用分子计算机,应用几种生物分子制造分子计算机的组件，例如细菌视紫红质光计算机（光脑）,工作原理：靠激光束进入由反射镜和透镜组成的阵列来对信息进行处理的特点是平行运算基本电子元件：微小的玻璃塔，其中有一层半导体激光照射在塔上，捕陷在半导体中的电子被释放出；视激光的强弱这些电子会使玻璃塔变得半透明或昏暗；反射回来的讯号就是一个位元的数位信息：是或否、开或关生物计算机（生物电脑）,工作原理：DNA上含有的大量遗传密码，相当于存储的数据，通过与酶的相互作用，可将一种基因代码通过生化反应转变为另一种基因代码，转变前的基因代码可作为输入数据，反应后的基因代码可作为运算结果遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置，基本元件是原子和分子。

处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法原理：量子计算机通过利用粒子的量子力学效应，如光子的极化，原子的自旋等来表示0和1以进行存储和计算量子计算机,2.2 微电子机械系统,（Micro Electronic Mechanical Systems）,--------以纳米机械学为设计和工作原理的系统,一分钱硬币大小、头发丝粗细，这样的描述语我们都很熟悉但是，要说一分钱硬币大小的飞机，头发丝粗细的马达，可能就要瞠目结舌微机电系统（简称为MEMS）就是这样一些令人“匪夷所思”的微型智能化系统:,2.2 纳米微机械技术(MEMS),2.2.1 MEMS的研究背景 2.2.2 MEMS的研究内容与特点 2.2.3 MEMS典型器件与系统 2.2.4 MEMS的加工技术及其对制造业的影响 2.2.5 MEMS的典型应用,对尺寸微小型化机械装置的不断追求，以适应生物、环境控制、医学、航天航空、数字通讯、传感技术、灵巧武器等领域日益增长的要求 60年代以来，微电子技术渗透到机械工程各个领域，机电一体化为机械装置在系统结构和性能方面都带来了革命性的变化，也大大促进了机械装置微小型化的发展2.2.1 MEMS的研究背景,微机电系统（MEMS）融合了硅微加工、光刻铸造成型和精密机械加工等多种微加工技术，是在微电子技术基础上制作的微传感器、微执行器和微系统，但又区别于微电子技术(IC)： 在IC中有一个基本单元，即晶体管。

利用这个基本单元的组合并通过合适的连接，就可以形成功能齐全的IC产品；在MEMS中，不存在通用的MEMS单元，而且MEMS器件不仅工作在电能范畴，还工作在机械能、磁、热等范畴2.2.1 MEMS的研究背景,第一，体积虽小，但功能强只有一个红血球细胞大小的轮齿体积小，运转快，引力和惯性几乎不产生任何作用 第二，小而结实 第三，易于制造硅片上可制造数十万个微型机械纳米微机械的优点,微型机械技术在许多技术创新领域大有可为： 微型开关； 微型陀螺仪； 无线电对讲机； 微型传感器； 手持式气象检测微系统； 微加速度传感器MEMS（ Micro Electro-Mechanical System）称为微电子机械系统或微型机电系统 是指那种外形轮廓尺寸在毫米量级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米—纳米量级，可对声、光、热、磁、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置是指可批量制作的，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、通信和电源等于一体的微型器件或系统什么是MEMS/NEMS？,2.2.2 MEMS的研究内容,关键词：机械装置的微小型化，机电一体化,换句话说：,MEMS是在现代微电子技术基础上发展起来的一门新的科学技术，它融合了微电子与精密机械制作技术，能集成微传感器、微执行器，以及号处理与微控制电路、接口到一个芯片上，使信息的获取、处理和执行片上系统化成为可能，使许多产品集成化、微型化、智能化，成倍提高器件和系统的功能密度。

微电子机械和纳米技术的研究覆盖了亚微米到纳米尺寸的特征范围，它主要依靠光刻和图形转换设备和工艺获得，但又不仅限于半导体加工范畴MEMS的特点,微型化 体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短 机械电气性能优良 以硅为主要材料，硅的强度、硬度、模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨 批量生产 用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS 高集成化 （智能化、多功能） 把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的、可靠性、稳定性很高的MEMS微系统 多学科交叉 涉及到多种学科的交叉、多种加工技术的应用以及新原理和新结构的探索等，引起了诸多领域的微型化革命MEMS技术的目标：,通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统 学科涉及范围： 典型的多学科交叉的前沿性研究领域，集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

具体研究内容（三个基本方面）,1. 基础理论研究 在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响，许多物理现象与宏观世界有很大区别，原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究 这一方面的研究往往需要多学科的学者进行基础研究基础理论研究,1. 尺度效应和表面效应 2. 微流体力学 3. 力学和热力学基础 4. 微机械特性和微摩擦学 5. 微光学的基础理论,设想的分子轴承,图：分子转子的分子动力学计算,分子转子的分子动力学计算模拟,2. 技术基础研究,分为以下几个方面： （1）设计与仿真技术； （2）材料与加工技术； （3）封装与装配技术； （4）测量与测试技术； （5）集成与系统技术等硅微加工的工艺： 一种类似于集成电路设计和制造的新工艺把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上形成一个系统 特点：部件小，刻蚀的深度要求数百微米；允许误差极小 深槽刻蚀技术出现后，围绕该技术发展了多种新型加工工艺以 加工与封装技术为例,开发各种制造MEMS的技术，将MEMS技术与航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、电子以及兵器等应用领域相结合，制作出符合各领域要求的微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统。

3. 应用研究,各式各样的MEMS器件，已成功地应用于自动控制、信息、生化、医疗、环境监测、航空航天和国防军事等领域其中微型压力传感器、微加速度计、喷墨打印机的微喷嘴和数字微镜显示器件（DMD）已实现规模化生产，并创造了巨大的经济效益美国ADI公司的集成加速度计系列已经大量生产，占据了汽车安全气囊的大部分市场，年销售额约为2亿美元；TI公司(德州儀器)利用MEMS技术生产的DMD显示设备，占有高清晰投影仪市场的大部分份额 目前领先的应用领域：汽车、医疗和环境； 正在增长的应用领域：通信、机构工程和过程自动化； 还在萌芽的应用领域：家用/安全、化学/配药和食品加工主要应用领域：,举例：微电子机械系统在通信中的应用,（1）纳米卫星一种尺寸减小到最低限度的微型卫星，质量通常小于0.1kg它是未来卫星发展的“革命性突破”一种简单的纳米卫星可以由外表带有太阳能电池和天线、在硅基片对砌的专用集成微型仪器组成 （2）微光电子机械系统（MEMS）技术目前最前沿的微机械研究领域微光学器件主要产品有：微光学开关阵列、光纤连接耦合器等1）基因分析和遗传诊断微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。

（2）介入治疗现有介入治疗仪器价格贵体积大，而且治疗时仪器进入体内，而判断和操作的医生再体外，很难保证操作的准确性MEMS如人体腔道诊疗微系统、微型血液（生化）检测微系统可进入很小的器官和组织，自动地进行细微精确的操作，大大提高介入治疗的精度， 降低风险 举例：微电子机械系统在医疗和生物技术领域的应用,（1）微型惯性传感器采用纳米技术制作的微型惯性传感器，其尺寸和价格可减少几个数量级由于MEMS技术的进步，已开发出多种类型的微加速度计，如压阻型、电容型、隧道型、热敏型等另一个大量应用于汽车的MEMS传感器是角速度计，用于车轮侧滑和打滚控制 （2）惯性测量组合美国国防部高级研究计划局（DARPA）正在开发采用光纤陀螺的MIMU与全球定位系统(GPS)的组合系统GPS信号用于校正惯性漂移误差，当GPS信号被干扰后，惯性系统能自主工作此项计划称它为“GPS制导包”该技术将对军用和民用飞机的环状激光陀螺形成挑战举例：微电子机械在汽车工业和宇航中的应用,------MEMS器件应用最成功、数量最大的产业此外，现代汽车采用的安全气囊、防抱死制动系统（ABS）、电喷控制、转向控制和防盗器等系统都使用了大量的MEMS器件。

为了防止汽车紧急刹车时发生方向失控和翻车事故，目前各汽车制造公司除了装备ABS系统之外，又研制出电子稳定程序（ESP）系统与ABS系统配合使用发生紧急刹车情况时，这一系统可以在几微秒之内对每个车轮进行制动，以稳定车辆行车方向举例：微电子机械在汽车工业和宇航中的应用,------MEMS器件应用最成功、数量最大的产业纳米技术在军事上的应用主要体现在把纳米技术转化为微型武器装备系统技术，其核心是运用微型机电系统实现武器装备袖珍化，以替代现有的重型武器装备： “蚂蚁士兵”：仅为蚂蚁大小，背部装有一枚微太阳能电池作动力的微型机器人，有可观的破坏力通过声音控制，它可以神不知鬼不觉地潜入到敌军要害部门或部位它根据指令可执行三大任务：充当遥控探测器；充当杀手，专门“吞咬”破坏敌电脑网络与通信线路；充当作战平台，既可干排雷等危险的工作，又可到千里之外去搜寻情报美国称5年内将有一批“微型军”服役举例：纳米技术在军事领域中的应用,微型探测器和微型地雷：按一般的密度投放到需要控。