中国机械工程学报 《机械工程学报》关于MEMS的那些腻害的文儿丨i推荐

微纳技术是20世纪80年代末在美国、日本等发达国家出现的一门高科技科学技术。微纳技术因其巨大的应用前景，自问世以来一直受到世界各国政府和学者的关注，是当前科技界的研究热点之一。

微纳技术的研发将对21世纪的航空空、航天、军事、生命科学与保健、汽车工业、仿生机器人、家用电器等领域产生深远的影响。微机电系统技术主要涉及0.1μm到几毫米尺度范围内的传感器、微执行器和微系统的研发。它以单晶硅为基本材料，以光刻平行制造为主要加工特征，以微电子加工设备与其他专用加工设备相结合为加工手段。纳米级一般指1 ~ 100 nm。纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质的运动和变化的科学。在同一尺度内操纵加工原子和分子的技术称为纳米技术，纳米级的机电系统称为纳米机电系统。可见二者既有联系又有区别。前者是后者的基础，后者是前者的发展方向。

今天，边肖带你回到最近在《机械工程杂志》上发表的一些关于微机电系统的有趣文章。

为了提升我国纳米制造的创新能力，国家自然科学基金委于2009年正式启动了“纳米制造基础研究”重大研究项目(以下简称“纳米制造”重大研究项目)。该计划以学科发展前沿为目标，面向国家发展的重大战略需求，针对纳米精密制造、纳米尺度制造和跨尺度制造中的基础科学问题，通过力学、物理、化学、生物、材料科学和信息科学等相关学科的交叉和融合，探索纳米制造的新方法和新工艺。揭示了纳米尺度和纳米精度下加工、成形、改性和跨尺度制造中的尺度效应、表面/界面效应的规律，阐明了材料结构的演化机理和器件功能的形成规律，探索了制造过程由宏观向微观转变时能量、运动与材料结构和性能的相互作用机理和转化规律，建立了纳米制造的理论基础、工艺和设备原理，以及纳米制造过程的精确表征和测量方法，为实现纳米制造的一致性和批量化提供了理论依据。

“纳米制造”重大研究项目实施六年来，探索出一批独创的纳米制造工艺和设备原理，促进了制造科学与材料、物理、化学、光学、信息的交叉融合，培养了一批从事纳米制造基础研究的优秀人才，形成了基于“纳米制造基础研究”联合实验室的纳米制造协同创新研究团队，有效提高了我国纳米制造相关领域的基础研究水平，推动了纳米科技成果的初步走向。

王国彪、邵金友、宋建利、赖亦南在《纳米制造基础研究》重大研究计划的研究进展》一文中，对重大研究计划的项目申请与资助、管理措施、突出进展、集成项目立项等进行了全面总结。

介绍了近六年来“纳米制造基础研究”重大研究计划实施过程中的申请、资助和管理措施；本文综述了该重大研究项目在学科交叉融合、国内主要科研仪器和基本实验技能共享等方面取得的显著成就。总结项目研究团队在光学自由曲面抛光、晶圆平面化与减薄、纳米切割、电场辅助纳米压印光刻、超快激光加工、半导体器件制造等方面取得的原创性成果和突出进展；同时，简要介绍了基于这些成果的四个整合项目的基本情况。

重大研究项目批准的4个集成项目

为了将新型超硬纳米孪晶立方氮化硼(nt-cBN)材料制备成可实现铁基金属材料，特别是较高硬度材料的精密和超精密切削刀具，金天野、陈俊云、、、赵、路翎在论文《纳米孪晶立方氮化硼机械磨削机理研究》中从理论和实验两个角度对纳米孪晶立方氮化硼材料的机械磨削机理进行了研究，对纳米孪晶立方氮化硼材料动态脆塑性转变的临界磨削深度进行了理论分析和实验验证；基于临界磨削深度，实现了材料的塑性域细磨，根据磨削后塑性槽的深度和宽度，通过理论计算和原子力显微镜表面检测结果，分析了磨削过程中塑性槽的形成机理。他们的研究结果表明，纳米孪晶立方氮化硼材料动态脆塑性转变的临界磨削深度为23.9nm；；0.5微米金刚石磨粒用于研磨材料表面粗糙度达1.99纳米，PV值为77.05纳米；。磨削塑料沟槽深度的理论最小值为2.25 nm，与实验结果吻合较好，磨削塑料沟槽的宽度是固定和自由磨削颗粒相互作用的结果，宽度保持在亚微米级。因此，纳米孪晶立方氮化硼材料具有良好的可加工性，可以通过机械研磨的方法实现高精度表面的高效加工。

用粗粒金刚石研磨膏研磨后的材料表面

聚焦离子束(FIB)技术通过透镜系统将液态金属离子源(LMIS)发射的离子聚焦轰击在材料表面，从而实现亚微米和纳米尺度的材料加工。离子溅射刻蚀作为FIB最重要的功能之一，可以简单、直观、高分辨率地加工曲面、空腔等各种复杂的三维微结构。然而，材料的表面结构会影响溅射刻蚀的溅射产量和刻蚀速率。它不仅取决于初始表面结构，还取决于扫描处理过程中产生的结构。溅射蚀刻中的再沉积效应使加工表面结构更加复杂。在相同的入射剂量下，即使扫描策略或其他工艺参数只是略有不同，最终的刻蚀形状也会有很大的差异。在各种微/纳米机电系统(M/NEMS)工艺及相关参数设计中，工艺建模和仿真具有重要的指导意义。

针对光纤加工中的影响，各种算法和一系列相应的仿真工具被应用到其加工模型中。然而，在计算精度和工艺参数的适应性方面，需要更有效的方法来支持NEMS计算机辅助设计来设计和制造复杂的微纳米结构。元胞自动机(Cellular automaton，CA)是一种离散时间，时间介于空之间的动态系统。系统中的每个单元格用于描述空之间位置的当前状态。然后在离散时间维度上定义一个局部空演化规则，通过该规则基于邻居环境刷新每个小区的状态。在连续元胞自动机(CCA)中，用于表示元胞状态的占用率在更新迭代过程中是连续的，这进一步增强了元胞自动机方法的适用性和准确性。将CCA技术引入FIB工艺模型，根据实际工艺参数和扫描策略建立通用物理模型。该模型将反应空离散为一组单元，将反应过程抽象为每个单元上的离子溅射和再沉积，充分考虑了工艺因素和微加工结构分布及尺寸对溅射再沉积效果的影响。在FIB溅射刻蚀仿真中，再现了不同工艺条件和不同扫描策略下溅射和再沉积的效果，提高了计算精度和效率。在实际应用中，建立微机电系统/NEMS计算机辅助设计系统，快速评估工艺参数，检查工艺与微结构几何结构之间的相互作用，进一步指导工艺设计具有重要意义。

伊森、邢燕、邱晓利在《聚焦离子束微纳加工溅射刻蚀工艺模型研究》中提出了基于连续元胞自动机的聚焦离子束溅射刻蚀工艺模型，该模型可以有效引入实际工艺参数和扫描策略，建立溅射和再沉积方程，准确表达离子束加工引起的溅射和再沉积效应，准确描述这些效应引起的表面结构演化过程。在各种工艺因素和扫描策略条件下，溅射刻蚀和再沉积效应可以与工艺模型计算结果中的实验现象相一致。加工截面轮廓的仿真结果表明，刻蚀深度随时间的相对误差小于8%，精度高于现有模型，验证了模型的有效性。连续元胞自动机模型不仅具有计算精度高的特点，而且具有较好的视觉输出效果，为聚焦离子束加工微纳结构提供了一种工艺参数优化方法。

FIB过程中的物理过程和扫描策略

氧化锌微/纳米线和微/纳米带作为宽带隙半导体材料(Eg=3.37 eV)广泛应用于电子设备制造，如纳米发电机、场效应晶体管、带栅二极管、气体传感器、记忆存储器等。显然，这些应用必须基于微米和纳米尺度的基本电特性，因此了解这种尺寸的材料的基本特性并改进组成它们的器件的设计和效率是非常重要的。根据传统的欧姆定律，半导体材料的电阻与长度成线性关系，但最近的一些研究发现，纳米结构材料违反了这一经典定律。总之，有必要对平面单晶半导体氧化锌微/纳米结构的异常电学性质进行研究。

到目前为止，单晶半导体微/纳米带的电阻和电阻率已经用透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、1-4端法和探针装置结合电流-电压测量系统进行了测量。所有这些方法都需要使用微电子制造和专门设计的设备来完成测量。近年来，随着多功能原子力显微镜的发展，在常压环境下原位测量纳米材料的电学、磁学和压电性能变得更加容易。

戴兵、于光斌、邵、等。用原子力显微镜研究了单晶半导体微/纳米带的电阻性能和长度特性，并基于晶体结构分析了其机理。通过测量原子力显微镜探针与安装电极之间的电阻，完成了电阻与微/纳米带长度之间的定量特征关系测量。测量结果表明，根据欧姆定律，氧化锌微/纳米带的电阻和长度是指数关系，而不是线性关系。根据所使用的原理和进一步的验证测量，证明了氧化锌微/纳米带的非线性电阻-长度曲线与单晶中不同晶格层平面的各向异性电子速度有关。

原子力显微镜探针与氧化锌接触的光学图像

不要担心，对以上内容感兴趣的朋友们。边肖为大家整理了几篇发表在《机械工程杂志》上的关于微机电系统的文章。可以在我们微信公众平台回复“20170530”免费下载全文！拿去吧。不客气！

感谢大家对《机械工程学报》编辑部的热情关注！希望您能参与我们的合作，让我们帮助传播优秀的科研成果，向大型机械领域的朋友展示最新的高水平科研成果。

我们《机械工程学报》编辑部将努力为您打造一个有态度、有深度、有温度的学术媒体！

祝大家端午节快乐！

2017年5月30日:端午节

端午节是每年农历五月初五。根据“荆楚年”，五月初五也叫“端阳节”，因为它在盛夏登高，五月是盛夏，它的第一个中午就是登高的那一天，天气好。此外，端午节又叫“午日节、五一节、端午节、沐浴兰节、诗人节”等等。端午节是中国和汉字文化圈其他国家流行的传统文化节。

端午节起源于中国，最初在古代百越地区(长江中下游及以南地区)为崇拜龙图腾的部落举行图腾祭祀节日。春秋以前，有在农历五月初五以赛龙舟的形式举行部落图腾祭祀的习俗。后来战国时期楚国(今湖北)的诗人屈原在那一天跳汨罗江，统治者为了树立忠君爱国的标签，把端午节作为纪念屈原的节日；在一些地区，也有纪念伍子胥和曹娥冤的说法。

端午节、春节、清明节和中秋节也被称为中国四大传统民间节日。自古以来，就有划船、吃粽子等节日活动。从2008年开始，端午节被列为国家法定假日。2006年5月，国务院将其列入第一批国家非物质文化遗产名录；2009年9月，联合国教科文组织正式审查批准中国端午节为世界非物质文化遗产，成为第一个被选为世界非物质文化遗产的中国节日。

推荐阅读

1.

2.

3.

4.

5.

版权声明:

本文为《机械工程学报》编辑部原创内容，欢迎转载，请联系授权！

在微信官方账号后台，对要转载的文章标题和要转载的微信官方账号ID留言授权！

联系我们:

联系人:张强

电话:010-88379891-2

电子邮件:cjmezhang@126.com

地址:http://www.cjmenet.com.cn

官方微信号:jmewechat