纳米科技的典型研究方向.ppt

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1、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0.1100 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、

2、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1.010nm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

3、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

4、）,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、

5、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

6、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

7、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

8、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，以及微信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

9、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：

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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ME

15、MS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

16、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

17、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制的军事敏感区。通过微观装置焕发出来的巨大战争威力而使敌方宏观作战体系“突然瘫痪”。“苍蝇”机器虫：既可用飞机、火炮和步兵武器投放，也可人工放置在敌信息系统和武器系统附近，大批机器“苍蝇”可在一个地区形成高效侦察监视网，大大提高战场信息获取的数量和质量。如果再给“苍蝇”安上某种极小的弹头，它们就会变成蜇人的黄蜂。,举例：纳米技术在军事领域中的应用,纳米武器,纳米武器：利用纳米技术将武器做得很小

18、,或者将武器建立在纳米级材料基础上。由于与传统武器制造方法有很大区别，武器性能也就很有别于常规武器。,纳米武器从研究走向实用有3大关键：一、研制纳米材料；二、寻求超精度微加工方法；三、做出微机电系统。,有趣的纳米武器,纳米冲锋枪 以色列研制成功微型乌齐83式冲锋枪；德国研制出长325毫米，重2千克的微型超短型冲锋枪，可藏入衣服、公文包内，不易被发现。纳米炸弹 密歇根大学研制的这种炸弹是一些分子大小的小液滴，其大小只有针尖的1/5000，作用是炸毁危害人类的各种微小“敌人”，其中包括含有致命生化武器炭疽的孢子。纳米飞机 一种袖珍飞行器，可携带各种探测设备，具有信息处理、导航和通讯能力。,有趣的纳

19、米武器,微型间谍飞行器 仅15厘米长，能飞一小时以上，不仅能在建筑物间穿行，还可附在建筑物或设备上进行侦察飞行。“间谍草”战场微型传感网络，装有敏感电子侦察器、照相机和感应器，具有人的“视力”功能，可将感受到的如坦克车行进等情报传回指挥部。,微型传感器；MEMS的重要组成部分。1962年第一个硅微型压力传感器问世，开创了MEMS的先河。现在已经形成产品和正在研究中的微型传感器有：压力、力、力矩、加速度、速度、位置、流量、电量、磁场、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度和生物浓度、微陀螺、触觉传感器等等。微型传感器正朝着集成化和智能化的方向发展。,2.2.3 MEMS典型器件与系统,微型执行器

20、；微型电机是一种典型的微型执行器，可分为旋转式和直线式两类；其它还有微开关、微谐振器、微阀、微泵等。把微型执行器分布成阵列可以收到意想不到的效果，如：可用于物体的搬送、定位，用于飞机的灵巧蒙皮。微型执行器的驱动方式主要有：静电驱动、压电驱动、电磁驱动、形状记忆合金驱动、热双金属驱动、热气驱动等等。,2.2.3 MEMS典型器件与系统,纳米尺度的齿轮相当于图中蚂蚁拿着的微型齿轮的万分之一,8mm大小的压电超声微电机,返回,1987年，美国人发明的微马达引起国际学术界的轰动。1993年，采用该技术成功地将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着微机电系统技术商品化的开端。,外径分别为

21、(a)0.25 mm和(b)0.15 mm的压电微电机,3.微型光机电器件和系统 MEMS与光学领域的结合是微电子技术应用的又一次革命性实验。宽带的多波段光纤网络将成为信息时代的主流，光通信中光器件的微小型化和大批量生产成为迫切的需求。MEMS技术与光器件的结合恰好能满足这一要求并成为MEMS领域中一个重要研究方向。4.微型生物化学芯片 利用微细加工工艺，在厘米见方的硅片或玻璃等材料上集成样品预处理器、微反应器、微分离管道、微检测器等微型生化功能器件、电子器件和微流量器件的微型生物化学分析系统。与传统的分析仪器相比，除体积小以外，还具有分析时间短，样品消耗少，能耗低，效率高等优点。可广泛用于临

22、床、环境临测、工业实时控制等。典型应用：基因测序过程。“本世纪最后一次技术革命。,2.2.3 MEMS典型器件与系统,光电子机械工程学,微型机器人 现在科学家正在研制的微型机器人，能在桌面大小的地方组装象硬盘驱动器之类的精密小巧的产品。随着电子器件的不断缩小，组装时要求的精密度也在不断增加。微型飞行器 指长、宽、高均小于15cm，重量不超过120克，并能执行军事任务的飞行器。设计目标是有16公里的巡航范围，能以3060公里/小时的速度连续飞行2030分钟。美国陆军计划把这种微型飞行器装备广泛地用于战场侦察、通信中继和反恐活动。,2.2.3 MEMS典型器件与系统,2.2.3 MEMS典型器件与

23、系统,微型动力系统 以电、热、动能或机械能的输出为目的，毫米到厘米级尺寸，产生十瓦级的功率的发动机。美国从1996年开始利用MEMS加工技术研究制作微型涡轮发动机，包括空气压缩机、涡轮机、燃烧室、燃料控制系统（泵、阀、传感器等）、以及电启动马达/发电机，已在硅片上制作出涡轮机模型。目标是1cm直径并最终产生100W的电力。,MIT正在研究一种微型双级元火箭发动机。它由5到6片硅片叠在一起组成。硅征上制作有燃烧室、喷嘴、微泵、微阀及冷却管道。整个发动机约长15mm，宽12mm，厚2.5mm。使用液态氧和乙醇作燃料，预计能产生15N的推力，推力重量比是目前大型火箭的10100倍。美国TRW公司、航

24、空航天公司和加州理工学院（CIT）组成的研究小组提出了一个“数字推进概念”方案，在这个方案中，将有104106个微推进器被集成到一块直径为10cm的硅片上。并已研制出了35的微推进器阵列。,7.微型动力系统举例,细小工业管道机器人移动探测系统,先行者类人形机器人,微型飞行器MIT（麻省理工学院）设计的微型飞行器，预计其飞行速度为3050公里/小时，可在空中停留1小时，有侦察及导航能力。,机器蝇,主要功能是秘密部署到敌方信息系统和武器系统的内部或附近，监视地方情况。这种纳米飞机可以旋停、低飞、高飞，雷达根本发现不了它们。它还适应全天候作战，可以从数百公里外，将其获得的信息传回己方导弹发射基地，直

25、接直接引导导弹攻击目标。,肌肉是由许多微小的细胞构成的，这些细胞协调统一进行伸缩运动，而每一个细胞都是一个复杂构造，分别有许多种类的分子构成。生物就是这样，由纳米水平的多层次构造而成，而这样的构造在工业加工上予以实现的技术尚未出现。让我们来探讨：目前我们能够进行什么样的纳米加工呢？,MEMS的加工技术,我们能够进行什么样的纳米加工？,以美国为代表的化学腐蚀或集成电路工艺技术即对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件。以日本为代表的传统机械加工手段 即利用大机器制造出小机器，再利用小机器制造出微机器的方法。以德国为代表的LIGA（光刻、电铸和注塑）技术 即利用射线光刻技术，通过电铸成型和注塑形成深

26、层微结构的方法。,MEMS的加工技术,制造MEMS的加工技术主要有三种：,MEMS加工技术研究历史：,起源：从半导体加工工艺中发展起来的硅平面工艺和体硅工艺。八十年代中期以后：利用X射线光刻、电铸、及注塑技术，形成了MEMS加工的另一个体系，包括硅表面加工和体加工的硅微细加工、注塑加工和利用紫外光刻的准注塑加工、微细电火花加工、超声波加工、等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工、立体光刻成形等。MEMS的封装技术也很重要。此外，传统的精密机械加工技术在制造微小型机械方面仍有很大潜力。,MEMS的加工技术,超精密机械加工技术 硅微细加工技术 光刻技术 蚀刻技术 高能束刻蚀技术 牺牲层技术

27、 扫描探针显微镜(SPM)加工技术,LIGA及准LIGA技术 特种微细加工技术 键合技术 外延技术微细立体光刻技术 集成机构制造技术,制造技术的发展方向,超精密加工：加工精度将达到1nm，包含超精密切削、超精密磨削研磨和精密特种加工等三个方面。大大提高产品的性能和质量，稳定性和可靠性，促进产品的小型化，增强零件的互换性，提高装配生产率，促进自动化装配。微机械加工：微型机械尺寸在1nm1m的机械。集微型机构、微型传动器以及信号处理和控制电路，甚至外围接口电路、通讯电路和电源等为一体的微型机电系统，远超出了传统机械的概念和范畴，其应用领域相当广泛。超高速切削：IBAG公司推出的静压轴承电主轴，使用

28、寿命大约2万小时；目前国际市场上电主轴最高转速可达15万r/min或更高转速。高速NC机床快移速度也达120m/min，进给加减速度发展到2g。在工作可靠性上，机床无故障工作时间达到20万小时。,纳米技术对制造业的影响,从根本上改变传统的压、切、铸、车、铣、刨、磨等制造方式，从分子和原子开始制造产品：纳米装配机处理原子就象计算机处理信息一样，不花成本。随着电子、机械产品微小化的发展趋势，未来10年，微机械（Micromachine）与微机电MEMS产业将逐渐取代半导体产业成为主流产业，为此日本、美国一些著名企业均开始加强其 MEMS组件模块制造能力。,扫描探针显微镜(SPM)加工技术,用光刻技

29、术作成的微机械,2.2.5 MEMS的典型应用,噴墨字頭,噴墨字頭,喷墨字头：原理：由喷嘴、喷嘴板（具小孔）与硅质容槽板（具有墨水槽、振动板）所构成的三层结构。制作步骤：三维多段干式蚀刻技术(DEEP-RIE 深层干式蚀刻+多段光学平版印刷)制作多段喷嘴，再利用兩段异方性湿式蚀刻制作高精度硅质容槽，之后制作高平坦度的振动板，最后再用阳极接合技术將上述元件組合成高精度电极间距(air gap)。,DC电压施加于振动板与ITO电极之间，振动板就会挠曲贴附在 ITO电极上，此时墨水会依照设计流量通过小孔流入墨水槽內，当DC电压迅速切断时振动板就回到原位置，造成墨水槽內的压力急速上升，挤压墨水并由喷嘴

30、喷出。,泵是用于流体操作的最普通的机械，从生物、化学用的便携式机器到超小型人造地球卫星，在各种系统不断超微化的发展过程中，用来输送液体或气体的超微型泵的需求不计其数，若能采用与半导体精细加工同样的方法来制造泵或流路，就可以将泵与电路及传感器一体化，从而研制出全新的系统。,超微型泵：,孔穴两侧设有电极，被电解液稀释的血球通过孔穴时电极的阻抗值会发生变化。,实际测量时只需对两侧电极施加电压，粒子通过孔穴时便可获得与粒子的体积成一定比例的阻抗值变化信号，利用这种动作原理测量血球数量。,血球量測用平面感应器,纳米机器人,微型机器人的设计是基于分子水平的生物学原理。事实上，细胞本身就是一个活生生的纳米机

31、器，细胞中的每一个酶分子也就是一个个活生生的纳米机器人。纳米技术与仿生学结合可使生物物理学家仿照生命过程的各个环节制造出各种各样的微型机器人。纳米微型机器人是十分引人注目的研究方向，纳米生物机器人不仅其速度、效率比现代机器人大为提高，而且应用范围之广、功能之特殊、污染程度之低也是现代机器人无法比拟的。我国已经完成研制微小型智能化纳米机器人的关键技术纳米级微驱动技术的产业开发阶段，使研究微小型智能化纳米机器人成为可能。,我是纳米机器人,我是一个分子,机器人居然这么小？,纳米机器人是由微驱动技术和机器人技术交叉结合产生的，主要用来完成高精度定位、移动任务，操作精度可达几纳米，运动范围在几十到几百纳

32、米之间，可准确接受外界指令。,纳米机器人,美国研制出一种被认为是世界上最小机器人的纳米机器人。这种机器人可以代替人去完成许多危险的工作，如排除地雷、以及寻找失踪者。这部机器人仅重约28克，体积约几立方厘米。它还拥有一个智慧的“大脑”和灵活的“腿”，这种超小型机器人能放在硬币上。,纳米生物部件与纳米无机化合物及晶体结构“部件”相组合，用纳米微电子学控制形成纳米机器人，尺寸比人体红血球小，能周游于人体微观世界而不被免疫系统排斥。,纳米机器人,通过把多种功能纳米机器人注入血管内，在血液中循环，使它们可在人体内作巡回医疗，对身体各部位进行检测、诊断，查出病理细胞，并实施特殊治疗，完成医生不能完成的血管

33、修补等“细活儿”。纳米机器人准确的直接打通脑血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，减少心血管疾病的发病率，随时清除人体中的一切有害物质，吞噬病毒激活细胞能量，保持身体健康，延长寿命。,纳米机器人也是纳米生物学中最具有诱惑力的内容第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安装在基因中，使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一

34、旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。,天然的分子马达如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物体内参与了胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列重要生命活动。它包括线性推进和旋转式两大类。线性分子马达是将化学能转化为机械能，并沿着一条线性轨道运动的生物分子，主要包括肌球蛋白、驱动蛋白、DNA解旋酶和RNA聚合酶等。其中肌肉肌球蛋白是研究得较为深入的一种，它们以肌动蛋白（actin）为线性轨道，其运动过程与ATP水解相偶联。而驱动蛋白则以微管蛋白为轨道，沿微管的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能。目前对于驱动蛋白运动机制提出步行模型。,分子马达：由生物大分子构成，利用化

35、学能进行机械做功的纳米系统。,驱动蛋白的两个头部交替与微管结合，以步行方式沿微管运动，运动的步幅是8 nm，如图所示是肌肉肌球蛋白（左）和驱动蛋白（右）的运动周期模型。目前 ATP水解与肌球蛋白和驱动蛋白的机械运动之间的化学机械偶联的关系还不清楚。近来的研究发现它们有相同的中心核结构，并以相似的构象变化将ATP能量转变为蛋白运动。DNA解旋酶作为线性分子马达，以DNA分子为轨道，与ATP水解释放的能量相偶联，在释放ADP和Pi的同时将DNA双链分开成两条互补单链。RNA聚合酶则在DNA转录过程中，沿DNA模板迅速移动，消耗的能量来自核苷酸的聚合及RNA的折叠反应。,线性分子马达的步行（hand

36、-over-hand）模型,ATP酶是一种生物体中普遍存在的酶，如图所示，是ATP酶的结构示意图，它由两部分组成：一部分结合在线粒体膜上，称为F0；另一部分在膜外，称为F1。F0-ATP酶的a、b和c亚基构成质子流经膜的通道。当质子流经F0时产生力矩，从而推动了F1-ATP酶的g亚基的旋转。g亚基的顺时针与逆时针旋转分别与ATP的合成和水解相关联。F1-ATP酶直径小于12 nm，能产生大于100 pN 的力，无载荷时转速可达17转/秒。F1-ATP酶与纳米机电系统（nanoNEMS）的组合已成为新型纳米机械装置。,旋转式分子马 达,工作时类似于定子和转子之间的旋转运动，比较典型的旋转式发动机

37、有F1-ATP酶。,静电浮动式三轴加速传感器,加速传感器广泛应用于地震仪、車用安全汽囊、遥控設备(robotics)等领域，传统的加速感应器通常是用梁柱支支撑重锤，加速时是将重锤的变位转换成静电量或是压电器的阻抗，便可計算出物体的加速度。无梁柱支支撑改用静电引力支撑重锤的非接觸式加速感，可排除梁柱的共振頻率、热振动等不良影响，进而获得高感度的加速感应效果，这种加速感应器称为静电浮遊式加速器。,我国的研究进展,开发出若干小批量、多品种、高质量MEMS器件及微系统。若干MEMS器件和微系统达到实用化水平，进入产业化阶段：加速度传感器、特种压力传感器、人体腔道诊疗微系统、微型血液（生化）检测微系统、

38、气象检测微系统等MEMS器件和微系统基本达到实用化阶段。此外，在柔性传感器阵列、微型燃料电池、致冷器、透皮药物释放微系统等方面取得创新研究成果。,我国的研究进展,项目支持：863微机电系统(MEMS)重大专项。内容：重点研究MEMS器件、集成系统、先进制造与测试技术及应用。“十五”期间的重点:MEMS设计、制造、测试、工艺、装备与系统集成等方面的关键技术，建立MEMS研发体系和产业化基地，同时研究与开发具有创新性的器件与微系统。“十一五”期间的重点:继续完善MEMS制造技术与研发体系，形成自主开发与批量制造能力，部分MEMS器件与微系统实现产业化。,本章重点,微电子机械系统（MEMS）的概念MEMS研究的主要内容与特点MEMS的典型器件与系统MEMS的加工技术,