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追溯MEMS技术的核心:底层还有大空间

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  • 发布时间:2020-03-05 15:45
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【概要描述】微机电系统由尺寸为1至100微米(0.001至0.1毫米)的部件组成,而且微机电设备的尺寸通常在20微米到一毫米之间。追溯过去,可以发现“微米级操作”与MEMS的诞生息息相关。

追溯MEMS技术的核心:底层还有大空间

【概要描述】微机电系统由尺寸为1至100微米(0.001至0.1毫米)的部件组成,而且微机电设备的尺寸通常在20微米到一毫米之间。追溯过去,可以发现“微米级操作”与MEMS的诞生息息相关。

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微机电系统(Microelectromechanical Systems,缩写为 MEMS)是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术,它的操作范围在微米范围内,属于微米级操作技术。微机电系统由尺寸为1100微米(0.0010.1毫米)的部件组成,而且微机电设备的尺寸通常在20微米到一毫米之间。

  

追溯过去,可以发现“微米级操作”与MEMS的诞生息息相关。

  

MEMS的概念在相应的加工技术出现之前就被提出了。1959年,理查德·费曼在加州理工学院进行题为《底层还有大空间》的演讲。在演讲中,费曼提出了在原子尺度上操纵物质的可能性以及将面临的挑战。费曼认为当前技术下,还存在一个极度小的世界,而在小尺度下操运与控制东西非常值得钻研,存着着极大的价值,微小化技术正在加速科技的发展。

 

这个观点其实就是MEMS技术的核心——在硅等材料上制造极小的自由可动结构,也正是基于这样的想法,之后相应的MEMS加工技术被开发出来。随后更微型的操作技术,如纳米技术,也是基于该观点衍生而来。《底层还有大空间》的演讲又被誉称为“纳米领域的开山之作”。

  

现在让我们一起回顾下这场改变着整个科技界的超前演讲,从物理学到计算机,再到基因遗传...看看费曼眼中的极小世界,感受来自费曼的思想冲击。

 

《底层还有大空间》的演讲内容(经过删减):

  

我想实验物理学家一定常常会以羡慕的眼光看着像Kamerlingh Onnes这样的一个人,因为他发现了低温的研究领域,而此领域似乎是无底限的,可以让人继续不断地往下钻研。因此,他就成为该领域的领袖,而且于那段时间内,可以在那领域的科学探险中独领风骚。当Percy Bridgeman在设计一个方法要来获得更高压力时,打开了一个新领域的大门,不仅他自己能进入这个新领域,而且他也一路带领着我们。在研发越来越高的真空上,也是属于同一性质的一种持续的发展。

  

我现在想描述一个领域,虽然其中目前达成的不多,但是理论上却有巨量的东西可以做。这个领域和其他的领域大异其趣,它不会替我们解答基本物理的问题(例如“奇异粒子,strange particles是什么?”),它比较像是固态物理学,也就是说它会极有兴趣地告诉我们在复杂状况下所发生的一些奇怪现象。而且最重要的是,它将会有一个惊人数目的科技应用。

  

我现在要谈的就是有关在一个小尺度下来操运和控制东西的问题。

  

每当我一提到这桩事时,马上就会有人告诉我有关微小化技术以及此科技最近的神速的进展。他们对我提到了如小指指甲大小的电动马达。他们也告诉我市面上已经有一种设备,可以用来在大头针的针头上写下主祷文。但那不算什么。在我要讨论的方向上,这些仅是最落后而且是最碍事的一步。在这此技术底下还有一个极度小的世界。到公元2000年,当人们回顾这个世代,他们会不知道为什么到1960年,还没人认真地开始朝这个方向走。

  

 

一、把大英百科全书写在大头针的针头上

 

大头针头直径是1/16英寸。如果将其直径放大25,000倍,针头的面积就等于全套大英百科全书纸张的面积。因此,只要我们可以将大英百科全书上的文字缩小25,000倍就行。

  

这样有可能吗?

  

我们眼睛的解像能力大约是1/120英寸,这大约和大英百科全书细网版的再制版上一个小点的直径一样大。如把这个点再缩25,000倍,其直径还有80?,等于32个一般的金属原子。换句话说,一个这种点的面积上还可以容纳1000个原子。所以,就如光雕刻法(photoengraving)所要求的,每一个点都还可以很容易地调节大小,因此在大头针针头上有足够的空间来刻上全套大英百科全书是毫无疑问的。

  

而且,如果是可以这样写的话,就一定会有方法可以读。让我们假设所写成的是突起的金属字,也就是说,在大英百科全书之中黑色的部份都缩为1/25,000后,用突起的金属字写下来的。

  

那么这样要怎么读呢?

  

如果有东西是这样写下来,我们是可以利用当今常用的技术把它读出来的。(当真有东西这样写下时,一定有人会想出更好的方法;但是保守起见,我只使用当今已知的技术。)我们可以:

 

1)把这些金属字压进塑胶材料中,将之做成一个模子;

  

2)然后把这个塑胶模子很小心地撕下来;

  

3)蒸发一层很薄的矽膜到模子上;

  

4)接着以某种角度蒸发黄金到矽膜上,使文字能够清楚地呈现;

  

5)最后把塑胶膜溶掉,留下矽膜;

  

6)然后我们就可以用电子显微镜来阅读了!

  

因此,将文字缩为1/25,000,以突起的金属字写在大头针头上,并且能够读取它,以今天的科技来讲是毫无问题的。

  

另外,我们也会发现制造其拷贝是非常地容易;只要把金属字板再压进塑胶材料中,我们就可获得另外一个拷贝了。

  

下一个问题就是:如此小的字怎么写?

  

我们现在还没有标准的技术来做这件事。但是请让我说明,这并非如乍看之下一样的困难。我们可以把电子显微镜用来做放大功能的镜头反置过来,将之用来缩小。当一个离子源射出的离子,通过这种倒置的放大镜头,就可以聚焦成一个非常小的点。我们就可以像我们在示波器的阴极射线管荧光幕上写东西时一样把那个点写上:一条一条线地扫描,并且在扫描的时候,调整要写下去的离子的数量。

  

但是由于电荷密度上的限制,使用这个方法来写可能很慢,然而未来会有更快的方法的,也许例如利用某些光学过程,我们可以先做出有文字形状洞孔的屏幕,然后我们在屏幕后发射金属离子穿过屏幕上的孔洞,再用上述那套镜头系统,把这文字以离子的形状缩小成像,蒸发沉积在大头针头上。

  

另外比较简单的方法可能如下(虽然我还不确定是否可行):我们可以把光学显微镜倒过来,将光线透过镜头聚焦在一个很小的光电荧光幕上。光线照到荧光幕的地方就会有电子跳出,这些电子通过倒置的电子显微镜镜头来聚焦缩小,接着就直接撞击在金属表面(也就是大头针的针头)。如果这个电子束撞击得够久,是否能够在金属表面上留下刻痕?我还不知道。如果不能直接刻在金属表面上,我们应该也可以找到某种特殊材料来盖覆在针头的表面上,但是此物质受电子束撞击的部位,一定要能够留下我们事后可以用来辨认的变化才行。

  

同时在这些装置上都没有强度不足的问题。一般在放大影像时都必须把一点点的电子分得很散地打在荧幕上,因此放大的时候常常会遇到强度上的问题。现在的情况适巧相反,由于一整页文字所发出的光,被聚焦在一个非常小的区域,因此其强度非常大。而由光电荧幕所跳出来的少数电子又被聚焦到非常小的区域,因此其强度也是非常地强。

  

我真是不明白既然如此为什么目前还没有能够人做到这件事!也就是大头针针头上的大英百科全书。

  

今天我演讲的题目是“在这底下的空间还大得很”,而不只是“在这底下还有空间”。我已经于前面说明了你如何能用实际的方法把东西的尺寸缩得更小。现在我要说明在那之下到底还有多少的空间。

  

我现在讨论的不是其技术,而只是讨论其于理论上的可行性。也就是说依据物理的原理下所可能达到的。

  

 

二、更好的电子显微镜

 

生物学家们早就知道大量资讯是可以储存在微小空间里的事实,而且在我们理解前面的一切理论之前,这个谜早已有解答了:在最小的一个生物细胞里,像我们这样复杂的生物资讯是如何储存下来的呢。眼睛是不是棕色的,到底会不会思考,在胚胎的时候下巴骨内部就应该先长出个小洞,以便在里面能够长出一条神经,这一切一切的资讯都储存在长长的DNA分子链里,而其却只占细胞的一小部分;在这里面,细胞储存每一位元的资讯大约是50个原子。

  

如果我们以符号来写,用5×5×5个原子表示每一位元,有个问题:今天怎么来读它?小心而努力地用电子显微镜来看,解像力约为10?,因此不够好。当我谈到这些小尺寸的东西,我想试着让你们了解把电子显微镜改良100倍有多重要。并不是不可能的,也没有违背电子折射的法则。在这样一个电子显微镜中,电子的波长约为1/20?。因此有可能看到一个原子。清晰地看到个别的原子有什么好处?

  

我们在其他领域有朋友,假定是生物学家。我们物理学家常看着他们说:“你知道为什么你们没有什么进展吗?”(实际上,如今我不知道有什么比生物学发展更快的领域。)“你们应该学我们,多用点数学。”他们原本可以如此回答,但是他们很礼貌,因此我替他们说:“要让我们进展更快,你们应该去把电子显微镜改良100倍。”

  

今天,生物学最核心最基本的问题是什么?是像这样:DNA中,碱基的序列如何?如果有个突变会发生什么?DNA碱基的序列和蛋白质中胺基酸的序列是怎样关联的?RNA的结构如何;是单股或双股,跟DNA碱基的序列又是怎样关联的?微粒体的结构如何?蛋白质如何合成?RNA跑到哪里去?它如何固着?蛋白质固着在哪里?胺基酸跑到哪儿里面?在光合作用中,叶绿素在哪里,如何排列,类胡萝卜素在其中有何关联?是怎样的系统把光转换成化学能?

  

只要看得见,这些生物学的基本问题有许多都容易回答。你会看到链上碱基的序列;你会看到微粒体的结构。不幸的是,现在的显微镜看得太粗糙了。把它改良100倍,许多生物学的问题就容易多了。我当然有点夸张,可是生物学家一定会感谢这个改进,而且比起他们应该用数学的批评,他们也会喜欢前者。

  

今日化学反应的理论建构在理论物理上。物理提供化学的基础。但是化学里还有分析。如果你拿到一个奇怪的物质,想知道是什么,就要经过漫长复杂的化学分析。今天,几乎可以分析出任何东西,所以我的主意出现得有点晚。但是如果物理学家想做,他们也可以研究得比化学家更深一层。分析任何复杂物质可以是非常简单的;只要看它上面原子在那儿。问题是电子显微镜差了100倍。(稍后我想问:物理学家可以做到化学的第三个问题——也就是合成吗?有个物理方法来合成任何化学物吗?)

  

电子显微镜如此烂的原因是所有镜头的f值只有1/1000;你无法拥有够大的数值孔径(NA);我知道有理论证明轴向对称之静止的磁场镜头的f值不可能比某值大;因此现在的解像力到达了理论上的极限。但是任何理论中都有假设,为什么要用轴向对称的磁场?为什么要用静止的磁场?我们不能用脉冲的电子束和沿电子运动方向一路上增强的场?一定要用对称的场吗?我向外发出这个挑战:没办法让电子显微镜更强吗?

  

 

三、制造微型电脑

 

我不知道怎样用实际的方法把这东西做的很小,但我知道电脑大得可以塞满许多房间。为何不能把它做得线很少,元件很少;并且做得很小。我是说很小。例如导线应该直径在10100原子宽,电路长宽应该只有几千?。任何分析过电脑的逻辑理论的人都有这个结论:如果电脑因为元件尺寸缩小几个数量级而能做得更复杂,则电脑可能做到的事会非常的有趣。如果电脑的元件是现在的百万倍,就能做判断。电脑会有时间计算出做下一个计算的最佳方法。它们会根据经验选择比我们会告诉它们的方法更好的分析方法。在许多其它方面,它们会有新的特质。

  

如果看到熟人的脸我会立刻发觉曾经见过(实际上,我的朋友会说我挑了个不好的例子。至少我还认得那是人,不是苹果)。但是还没有机器能以同样的速度看到一张相片,认出那是个人的;更没法认出是从前见过的同一个人,除非相片一模一样。面孔改变了,距离较近,距离较远,还是光线变了,我都认得出来。现在,我头壳里的电脑很容易就做得到。我们造的电脑却不行。我头壳里的元件数量比我们美妙的电脑多得多。电脑太大了;里面的元件极微小。我想来制造更小的。

  

如果想造个电脑,具有这些额外的优异特质,尺寸大概跟五角大厦一般。这有许多缺点。首先,需要太多的材料;世界上的锗也许不够制造这巨物里的所有电晶体。发热和功率消耗也是问题;需要109次方伏安为单位计算的功率来维持电脑运作。更实际的问题是,这电脑的速度有一限制。由于尺寸很大将资料由一处传到另一处需要一定的时间。资料不可能传得比光速快,因此,当电脑速度越快越精巧时,必须做得越来越小。

  

但还有空间做得更小。在物理的法则中,我找不出限制我们缩小现今的电脑元件的理由。事实上,缩小还有许多好处。

  

 

四、缩小制造

 

我们如何能制造这样的装置?要有何种制程?既然我们讨论过以原子的排列来写,我们可能就会考虑一种可能:蒸镀材料,然后再蒸一层绝缘体上去。然后下一层蒸上导线的另一部分,以及绝缘体,及其它。因此,你只要一次一次地蒸,直到你有一块东西内含所有元件——线圈、蓄电器、电晶体及其它——所有元件都极小。

  

为了好玩,我想讨论其它可能的方法。为何不像制造大的电脑一样造这些小的电脑。为何不在极小的程度钻、切、焊,切出形状,铸出各种形状。多少次你在搞小东西(像你老婆的腕表)时你曾对自己说:“如果能训练蚂蚁来做就好了!”我想提议训练蚂蚁来训练更小的虫来做这事。小而可动的机器能做些什么?它们不一定很有用,但是制造它们一定很有趣。

  

考虑任一机器(例如汽车),提出制造超微版的相关问题。假定在某汽车的设计中,零件必须有一定之精确度;假定是4/10,000英寸。若一圆柱或其它精度低于此,就不会运行顺利。如果要造的东西太小,就得考虑原子的尺寸;如果一个圆很小,就无法以所谓的“球”做出这个圆。因此,如果原尺寸汽车的误差为4/10,000英寸;当误差缩小至10个原子大小时,就可以将汽车尺寸缩为1/4,000左右,大约是1mm长宽。非常明显的是:如果重新设计汽车,使它能容忍较大的零件误差(这并非全不可能),就能制造更小的装置。

  

考虑这样小的机器的问题十分有趣。首先,在零件受到同样压力时,由于面积缩小,受力也随之降低,因此像重量与惯量等因素的重要性就较低。换句话说,材料的强度随尺寸的缩小而增强。例如,尺寸缩为几倍,转速就要增为几倍,才能保持压力与张力(离心力引起的)不变。

  

另一方面,金属的结构是一粒一粒的(晶体),在尺寸极小时这就很恼人,因为材料不够均匀。像塑胶,玻璃等非结晶性的材料就均匀得多,因此得用这类材料来造就我们的小机器。

  

系统中的电机零件有点问题——铜导线和磁性零件有问题。尺寸极小时的磁性质和大尺寸时不同。牵涉到线圈的问题。大号电磁铁可以绕个上百万圈线,小号的也许只能绕一圈。电机零件不能只是尺缩小尺寸;必须重新设计。但是我不觉得不能重新设计以能运作。

  

这样小的机器会有什么用处?谁晓得。超小型车辆只能让超小的虫开,而且连基督徒也不会那样鸡婆。我曾提到在具备小车床和其它超小型机工具的工厂中制造电脑用的小元件。小车床不必跟大车床完全一样。我让各位的想像力来改进设计;请完全利用小尺寸时的各种特性,并使全自动最容易达成。

  

一位朋友(ARHibbs)提出了非常有趣的用途。他说(虽然这非常疯狂)动手术时能把手术医师吞下去会很有趣。把机械手术医师弄到血管里,它跑到心脏里四处看(资讯当然要送出来)。它找出有问题的瓣膜,拿出一只小刀割掉。其它小机器也许能永久装在身体内,以协助功能异常的器官。

  

现在谈谈这有趣的问题:我们怎样造这样小的机器?我留给各位解答。但是让我提出个古怪的建议。在原子能厂里有很多材料与机器变得有放射性,没法直接处理。它们有一组主从手臂来旋下螺帽,放上螺丝钉,及做其它事。操作一具主手臂,从手臂会做一样的动作;如此就可以把螺帽转来转去,并把东西处理得很好。

  

这样的主从手臂构造都很简单,有条像marionette(线控人偶)弦的缆线由主控连到从手臂。使用的是伺服马达,因此缆线是电缆,传送电讯而非机械讯号。你转动操纵杆,操纵杆转动伺服马达,马达使电线中的电流改变,这改变使电线另一端的马达也改变位置。

  

现在,我想造出同样的装置——一个电力带动的主从系统。从系统由现代的大型机工极小心地制造,使它是主系统的1/4大小。因此,就可以按此方案做1/4大小的事——小伺服马达推动小手耍弄小螺帽螺钉,它们可以钻小洞,它们只有正常尺寸1/4大。我造出1/4大小的车床和工具。用这车床和工具可以造出另一组主从手臂,尺寸是车床和工具尺寸的1/4大(正常尺寸1/16大)。然后我由正常尺寸的主手臂直接连电线到1/16大小的伺服马达上(也许中间通过变压器)。这样我就可以操作1/16大小的从手臂。

  

从这里你得到原则。这相当难,但是可能做到。你可能会说一次可以缩小更多倍。当然。这全都要非常小心地设计,而且不一定要做得像手,如果仔细思考,可以得到相同功用的更好方案。

  

即使用现有的缩图器也可以在一步骤中缩得比1/4更小。但是不能直接用大缩图器制造小缩图器,因为描图洞太松和缩图器制造时的误差。缩图器尾端抖动的误差比你的手移动时的误差还大。如此来缩小尺寸时,会发现一堆串接的缩图器的最末端震动得什么也不能做。在每个阶段都要改进机件的精度。若由缩图器造了一个小车床,其中有个螺丝不够精密(比原尺寸的螺丝还不精密),可以找来螺帽,把螺丝转进转出,直到这小尺寸螺丝的误差百分比跟原尺寸螺丝一样。

  

用三个不平的平面相互摩擦,可以使完成的三个平面都比原先任何一个更光滑。因此,只要方法正确,在小尺寸下改善精度并非不可能。因此在造尺寸更小的东西之前,要先改善即将使用的零件的精度:铅螺丝等,以改善设备精度。

  

每一阶段都要先制造下一阶段要用到的东西——很耗时很难的计划。也许你可以找到缩小更快的较佳方法。这一切完成后得到1/4,000大小的车床。但我们想造的是大量的电脑,要在车床上钻洞制造电脑用的小垫圈。在这一台车床你能造多少垫圈?

  

制造第一组1/4尺寸的从手臂时,我打算造十个,并把它们都连接到主手臂上,如此十个手臂会同时做同一动作。再缩为1/4时,每个小从手臂造出十个小小从手臂,这样就有了1001/16尺寸的小小从手臂。我们要把这些数以百万计的车床放在哪?这完全不是问题。体积总和还比一个全尺寸车床小。假设造了十亿个小车床,每个小车床尺寸是原尺寸的1/4,000,则材料和空间都不成问题,因为用掉的材料比全尺寸车床的2%还少。你瞧,材料完全不花什么钱。因此我想造十亿个相同的小工厂,同时进行制造、钻孔、铸造零件、及其它事。在缩小的过程中,会产生一些有趣的问题。并非所有的现象都随着尺寸缩小的比例而变小。材料因分子间引力(范德华力)吸在一块儿也是问题。情形会像这样:完成一件零件后,想把螺帽从螺丝上转下来,结果掉不下来,因为重力不够大。想把螺帽从螺丝上弄下来还很难呢。这就像老电影中的情节:手上沾了糖浆想要甩掉一杯水。设计时要考虑许多同类性质的问题。

  

 

五、重新排列原子

 

我不怕讨论这最终的问题:将来我们如何依我们想要的方式排列原子,尺寸缩小到排列原子的地步。如果可以依我们想要的方式一个一个地排列原子,会怎样呢?(当然要合理地排,不能乱来。例如不能排成化学上不稳定的排列方式。)

  

到目前为止,我们觉得挖到地里来取得金属矿物没什么不好。我们加热金属,做大规模的处理,想从如此多的杂质中纯化物质……等等。但是我们必须接受自然安排的原子排列。我们没法有东西排成棋盘一样,其中的杂质距离恰为1,000,或是排成别的花样。

  

如果能排出一层层的结构,每层排得非常正确,这能用来干什么?如果真能依我们所想来排列原子,产物会有什么性质?研究这些物质的理论会很有趣。我不知道会发生什么事,但我深信,当我们能控制东西的排列(小尺寸的,原子的)时,一切物质的性质范围会大得多,我们能做的事也会多得多。

  

想像我们在一片材料里造出小线圈和蓄电器(或利用固态物理造出的类似东西),每个元件1,00010,000?,一个接一个排满一大片,尾端伸出天线。造这一整组元件。可能像从一套天线发射无线电波。对欧洲传送节目一样,从一套天线中发射光线吗?也就是以非常高的密度朝单一方向射出光线。(也许这样的光柱在技术上或经济上都不很有用)我已经考虑过建造小尺寸电气元件的一些问题。阻抗的问题相当严重。如果把大尺寸的元件缩小,元件的自然频率就上升(因为波长和尺寸成正比)。但是趋肤深度只跟尺寸的平方根成正比,因此阻抗的问题就极麻烦。如果频率不是很高,也许可以利用超导或者其他技巧来解决问题。

  

当我们到达了这个非常小的世界——例如7个原子组成的线路——我们会发现许多可利用来帮助设计的新现象。基于量力子学,原子在小规模上的表现,就像大规模上没有东西一样。因此在缩小尺寸和拨弄原子的过程中,我们遵循不一样的定律,并且期待做到不一样的事。

  

我们用不同的方法制造,我们可以利用(不仅利用各种线路)某种系统,其中利用了量子化的能阶,或量子化旋转(±1)的交互作用。另一件我们会注意到的事是:只要造得够小,所有我们造的机件都可以大量制造得完全和正本一模一样。大的机器没法造得一模一样。但是如果你的机器只有100个原子高,精度只要有0.5%就可以让复本的尺寸一模一样——也就是100个原子高。

  

到了原子的阶段,会碰到新的力、新的可能性和新的效应。制造和材料的重制会有不同的问题。我由一生物学的现象得到启发:重复使用化学力以制造各种奇怪效应(作者乃其一也)。

  

照我看来,一个个原子地计画制造东西并不违反物理的原则。这不是要试着违反定律,这是原则上可以做到的事情;只是因为我们尺寸太大而尚未实行。

  

最终我们可以做化学合成。一个化学家会跑来找我们,说:"我想要个分子,排列是这样排的;帮我造出来。"化学家想造某种分子时,方法都很神秘。他发现这物质有这种环,因而混合这个和那个,摇一摇,搞来搞去,在完成一个艰难步骤之后通常都能合成他想要的东西。当我的装置可以运转时,我们就可以用物理的方式合成,这化学家因此知道如何合成所有东西。因此,化学家的方法会完全没有用。

  

这很有趣:理论上物理学家有可能合成化学家写下来的任何化学物质。下个命令,然后物理学家来合成。听来如何?把原子放在化学家说的地方,就能造出这个物质。如果我们能看到我们在做什么,和能在原子的尺度上操作东西,化学和生物学的许多问题就能够解决。而这样的发展我想是无可避免的。

  

现在你可能会说,谁该做这件事,为什么要做?我已经指出几项有经济价值的应用,但你们可能会为好玩而做。那就来玩罢!我们来个实验室之间的竞赛。一个实验室造了小马达寄到另外一间实验室,第二间实验室可能寄回个东西可以放在该小马达的转轴里。

 

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