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微机械动力学研究进展作者：王亚明张敬洋来源：《世界家苑》2018年第03期摘要：作为纳米科技的一个分支，微机械和分子器件的研究工作受到普遍关注。
如何针对纳机电系统（NEMS）器件建立科学适用的力学模型，成为解决纳米尺度动力学问题的瓶颈。
微机械是极其重要的一类NEMS器件，分为天然的与人工的两类。
人工分子机械是通过对原子的人为操纵，合成、制造出具有能量转化机制或运动传递机制的纳米级生物机械装置。
关键词：微型；机械；动力学；进展；目前已经成功研制出多种微机械，如分子马达、分子齿轮、分子轴承等。
但在实现微机械工程化与规模化的过程中，由于受理论研究水平的制约，微机械的研究工作受到进一步的制约。
一、国内外研究现状（一）力学模型通过引入键长伸缩能、键角弯曲能、键的二面角扭转能以及非键作用能等，形成机械的势能面，使系统总势能最小的构象即为分子机械的稳定构象。
采用分子力学和分子动力学等方法，对分子机械的动态构象与运动规律进行计算。
从理论上讲，该模型可以获得分子机械每个时刻精确的动力学性能，但计算工作量十分庞大，特别是当原子数目较大时，其计算工作量是无法承受的。
第二类模型为连续介质力学模型。
该模型将分子机械视为桁架结构，原子为桁架的节点，化学键为连接节点的杆件，然后采用结构力学中的有限元方法进行动力学分析。
该模型虽然克服了第一类模型计算量庞大的缺陷，但无法描述各原子中电子的运动状态，故没有考虑分子机械的光、电驱动效应和量子力学特性，所以利用此模型难以对分子机械实施运动控制研究。
近年来，有学者提出将量子力学中的波函数、结构力学中的能量函数以及机构学中的运动副等理论结合，建立分子机械动力学分析的体铰群模型。
在该模型中，将分子机械中的驱动光子、电子、离子等直接作用的原子以及直接构成运动副的原子称为体，联接体的力场称为铰，具有确切构象的体铰组合称为群。
（二）研究现状1960年，美国科学家、诺贝尔奖获得者RichardFEYNMA首次预言了利用生物化学方法合成分子机械并组装分子工程系统的可能性。
新一代电机驱动技术研究及应用展望一、引言随着科技的不断进步和人们生活水平的提高，各行各业对于电机驱动技术的需求也越来越高。
而“新一代电机驱动技术”作为一个前沿的技术热点，对于电机驱动技术的发展和应用具有重要的意义。
本文将针对新一代电机驱动技术的研究进展和应用展望作一详细的介绍。
二、新一代电机驱动技术的概述新一代电机驱动技术的概念其实并不新鲜，指的是一些先进的电机控制技术，如矢量控制、无定位传感器（sensorless）控制、PWM控制、空间矢量PWM控制和直接转矩控制等。
它们是以硬件和软件为基础，通过对电机运动学、动力学及控制策略的深入研究，来提高电机的控制精度、效率、响应速度、稳定性和寿命，同时使电机更加智能和可靠。
三、新一代电机驱动技术的研究进展作为一项前沿热点技术，新一代电机驱动技术的研究一直在不断地进行着。
目前最为关注的则是以下几个方面：1. 无传感器控制技术研究无传感器控制技术采用了先进的数字信号处理算法，以实现对电机相应位置、速度和转矩的测量。
其中，磁场定向控制（FOC）是一种被广泛应用的无传感器控制方法，与之相对的是直接转矩控制（DTC）也是一种最近被广泛研究的控制策略。
2. 高效率电机控制技术研究目前，新一代电机驱动技术研究的一个主要方向就是如何提高电机的效率。
高效率电机控制技术主要采用了矢量控制、高频PWM、无传感器控制等先进技术手段，来实现电机高效能运行。
3. 低噪声和低振动电机控制技术研究低噪声和低振动电机控制技术，通常采用了“空间矢量PWM控制”和“预估控制”等控制策略，在电机运行过程中减少噪声和振动的产生，提高电机的性能和使用寿命。
四、新一代电机驱动技术的应用展望在硬件和软件融合的背景下，新一代电机驱动技术被越来越多地应用于各种类型的电机系统。
特别是在以智能工业为代表的智能化应用领域，新一代电机驱动技术的发展受到了广泛的关注。
1. 电动汽车和无人驾驶领域在电动汽车和无人驾驶领域，高效率、低能耗、低油耗的电机控制技术被广泛应用。
NEMS谐振器的研究与分析
宋达;刘文平;李铁;李昕欣;王跃林
【期刊名称】《电子器件》
【年(卷),期】2005(028)001
【摘要】介绍了NEMS谐振器的主要特点与性能参数.并且详细讨论了NEMS谐振器的材料、制备工艺以及激励与检测手段.同时根据结构与工作模态,分类介绍了近年来国际上出现的几种典型的NEMS谐振器.最后分析了NEMS谐振器发展所面临的挑战,并指出NEMS谐振器将具有良好的应用与发展前景.
【总页数】5页(P30-34)
【作者】宋达;刘文平;李铁;李昕欣;王跃林
【作者单位】浙江大学信息与电子工程学系,杭州,310027;中科院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家联合重点实验室,上海,200050;中科院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家联合重点实验室,上海,200050;中科院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家联合重点实验室,上海,200050;浙江大学信息与电子工程学系,杭州,310027;中科院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家联合重点实验室,上海,200050
【正文语种】中文
【中图分类】TN303
【相关文献】
1.NEMS市场集中度变化趋势及原因分析 [J], 冯海玉;姚琳;翁祖泉
2.基于静电驱动NEMS混频器结构设计与分析 [J], 李洪飞;于虹;黄庆安
3.NEMS外场驱动微电机研究进展 [J], 曹富林;许立忠
4.基于Python和SNMP的高校NEM网元管理系统的研究与实现 [J], 颜伟
5.微纳米分子系统研究领域的最新进展——IEEE NEMS 2021国际会议综述 [J], 黄锴;龚雪;文丹良;张晓升
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关于机电一体化技术创新发展的探讨摘要：机电一体化在机械自动化发展当中起着十分重要的作用，因此有必要探讨其发展现状及技术发展趋势。
文章基于对机电一体化技术发展相关理念的探讨，综合分析了机电一体化技术创新发展趋势，以及保障发展的策略。
关键词：机电一体化；技术创新发展；趋势；策略1 机电一体化技术发展概述机电一体化最早是由yaskawa公司的tetsuro mori先生于1969年首先提出。
它是机械结构学或机械学的前五个字母与电子学的后七个字母合并组成。
机电一体化，顾名思义，就是有“机”又有“电”。
“机”与“电”过去分属机械与电子电机学科，各自独立发展而无交集，由于产业的进步与需求，彼此之间的关系却变得越来越密切，而本质上就牵涉到机械、电机、电子、信息等不同领域的技术。
机电一体化的演进与发展可以分为以下几个阶段。
首先，传统机电一体化阶段。
1970年代的机电一体化是由机械结构学（机械学）和电子学整合而成，以应付自动门、自动售货机、自动对焦照像机或摄影机等产品的技术需求。
其次，电脑控制机电一体化阶段。
到了1980年代，为了少量多样产品的需求、提升产质量量、减少生产成本及降低人力需求，产业开始积极研发机器人、自动导引车、柔性制造系统与电脑整合制造系统等自动化相关技术，此时电脑扮演更扮演控制中心的重要角色，并开始引入信息技术。
第三，电脑控制网络机电一体化阶段。
到了1990年代，机电一体化大量引入有线、无线通讯、卫星定位、网络传输等技术，重点在于信息系统的引进。
第四，多元机电一体化阶段。
二十一世纪的机电一体化技术就属于多元化的专业技术了，主要包括有引入光电技术的机电光、著重于微小化的微机电系统技术（mems）、奈米机电技术（nems）以及与生物产业息息相关的生物机电工程等。
机电一体化是自动化产业发展上最主要的支撑技术。
一般而言，机电一体化系统，可大致归纳为四部分：控制器、感测器、致动器与机构元件。
机电一体化技术的发展可说是科技进步的趋势，其影响具体体现在如下几个方面：通过机电一体化技术，传统机构可大幅简化；机构的运动，可经由电脑软件设计变成可程序化、自动化、信息化及智能化；新的动作或性能，过去传统机构无法达成，而通过机电一体化技术可有效达成，且额外的成本相当有限，但整体价值大幅提高；通过机电技术整合，可使机构、电机、电子及电脑软硬件技术均发挥最佳效果，获得更精致、功能更完整的机构（系统）。
纳米机电系统的设计与制造技术研究纳米机电系统(NEMS)是一种集成纳米尺度的机械、电子和传感器功能的微型设备。
与微机电系统(MEMS)相比，NEMS在尺寸、性能和功能方面具有更高的精度和灵活性。
因此，NEMS在传感器、能量转换、计量和信息处理等领域具有广泛的应用前景。
本文将重点介绍NEMS的设计与制造技术研究。
首先，NEMS的设计关键在于结构设计和性能优化。
由于NEMS通常具有纳米尺度的尺寸，因此在设计过程中需要考虑材料的特性和结构的稳定性。
同时，要考虑工作环境的限制，如温度、湿度和压力等因素对NEMS的影响。
一种常用的设计方法是采用模拟建模和计算机仿真技术，通过对NEMS的力学、电学和热学行为进行建模和仿真，进而优化设计方案。
其次，NEMS的制造技术主要涉及材料选择和加工工艺。
在材料选择方面，NEMS通常采用纳米尺度的材料，如碳纳米管、石墨烯和纳米线等。
这些材料具有优异的机械、电学和热学性能，能够满足NEMS的要求。
在加工工艺方面，常用的技术包括电子束光刻、原子层沉积和离子束刻蚀等。
这些工艺能够实现纳米尺度的加工，从而实现NEMS的制造。
此外，NEMS的集成技术是实现其功能的关键。
NEMS通常需要集成多种功能组件，如传感器、执行器和电子元件等。
因此，NEMS的集成技术需要考虑不同功能组件之间的相互作用和协同工作。
一种常用的集成技术是使用微电子制造工艺，将不同功能组件制造在同一芯片上，从而实现高度集成和紧凑的结构。
最后，NEMS的性能测试和可靠性评估是保证其性能和可靠性的关键。
由于NEMS通常具有微小的尺寸和复杂的结构，对其性能和可靠性的测试和评估需要使用专门的测试设备和方法。
常用的测试技术包括力学测试、电学测试和热学测试等。
同时，还需要进行长时间的稳定性测试和可靠性评估，以验证NEMS在实际工作条件下的性能和可靠性。
综上所述，纳米机电系统的设计与制造技术研究是一个复杂而多样的领域。
通过优化结构设计、选择适当的材料、采用合适的加工工艺和集成技术，并通过性能测试和可靠性评估来保证其性能和可靠性，将推动纳米机电系统的应用和发展。
NEMS混频器动态特性研究的开题报告一、研究背景及意义NEMS（纳米机电系统）是一种新型的微纳机电系统，其电学、力学、光学、热学等性能优异，在生物医药、能源、通信等领域有着广泛的应用前景。
其中，NEMS混频器具有将微弱信号转换为高频信号的重要作用，是NEMS系统中必不可少的部分。
NEMS混频器的动态特性是影响其工作性能及应用效果的重要因素之一，对于深入了解其工作机理及提高其性能具有重要意义。
因此，开展NEMS混频器动态特性的研究具有重要意义。
二、研究内容及技术路线本课题旨在开展NEMS混频器动态特性的研究，具体内容包括以下方面：1.基于微纳加工技术制备NEMS混频器并对其结构进行表征；2.开展静态特性测试，如谐振频率、品质因数等；3.开展动态特性测试，如混频效率、非线性特性等；4.建立混频模型，并进行模拟计算；5.分析混频器的动态特性及其对应的物理机理，提出混频器性能提升的方法和思路。
技术路线如下：1.基于微纳加工技术，利用电子束曝光和等离子体刻蚀技术制备NEMS混频器；2.利用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、显微红外光谱仪等多种表征手段对混频器结构进行表征；3.利用网络分析仪、示波器等测试仪器对混频器进行静态特性测试；4.利用同步检测技术对混频器进行动态特性测试；5.基于COMSOL Multiphysics仿真软件建立混频模型，并进行模拟计算；6.通过实验与仿真相结合的方式，分析混频器的动态特性及其对应的物理机理，并提出混频器性能提升的方法和思路。
三、研究目标和预期成果本课题的研究目标是开展NEMS混频器动态特性的探究，通过实验与仿真相结合的方式，深入了解其工作机理及影响混频器性能的因素，并提出混频器性能提升的方法和思路。
预期成果如下：1.成功制备NEMS混频器，并对其结构进行表征；2.建立混频模型，并进行模拟计算；3.分析混频器的动态特性及其对应的物理机理；4.提出混频器性能提升的方法和思路。
微纳机电系统微/纳米科学与技术是当今集机械工程、仪器科学与技术、光学工程、生物医学工程与微电子工程所产生的新兴、边缘、交叉前沿学科技术。
微/纳米系统技术是以微机电系统为研究核心，以纳米机电系统为深入发展方向，并涉及相关微型化技术的国家战略高新技术。
微机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS ) 和纳机电系统(Nano Electro Mechanical System, NEMS )是微米/纳米技术的重要组成部分，逐渐形成一个新的技术领域。
MEMS已经在产业化道路上发展，NEMS还处于基础研究阶段。
一、引言从微小化和集成化的角度，MEMS (或称微系统)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、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。
而NEMS(或称纳系统) 是90年代末提出来的一个新概念，是继MEMS 后在系统特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型机电一体的系统，一般指特征尺寸在亚纳米到数百纳米，以纳米级结构所产生的新效应(量子效应、接口效应和纳米尺度效应) 为工作特征的器件和系统。
二、纳米系统的意义、应用前景微纳系统的意义应用前景由于微/纳机电系统是一门新兴的交叉和边缘学科，学科还处于技术发展阶段，在国内外尚未形成绝对的学科和技术优势；微/纳米技术还是一项支撑技术，它对应用背景有较强的依赖性，目前它的主要应用领域在惯导器件、军事侦察、通信和生物医学领域，以及微型飞机和纳米卫星等产品上。
2.1 .重要的理论意义和深远的社会影响微/纳米系统技术是与其它广泛学科具有互动作用的重要的综合技术，涉及学科领域广泛。
微/纳米系统技术是认识和改造微观世界的高新技术，微/纳米系统是结构集成化、功能智能化的产物。
微/纳米系统表现出的智能化程度高、实现的功能趋于多样化。
例如，微机电系统不仅涉及到微电子学、微机械学、微光学、微动力学、微流体学、微热力学、材料学、物理学、化学和生物学等广泛学科领域，而且会涉及从材料、设计、制造、控制、能源直到测试、集成、封装等一系列的技术环节。
NEMS-纳机电系统
纳机电系统(Nano-Electromechanical System,简称NEMS)是20 世纪90 年代末、21 世纪初提出的一个新概念。
可以这样来理解这个概念，即NEMS 是特
征尺寸在1~100nm、以机电结合为主要特征，基于纳米级结构新效应的器件和
系统。
从机电这一特征来讲，可以把NEMS 技术看成是MEMS 技术的发展。
但是，MEMS 的特征尺寸一般在微米量级，其大多特性实际上还是基于宏观尺
度下的物理基础，而NEMS 的特征尺寸达到了纳米数量级，一些新的效应如尺
度效应、表面效应等凸显，解释其机电耦合特性等需要应用和发展微观、介观
物理。
也就是说，NEMS 的工作原理及表现效应等与MEMS 有了甚至是根本
性的不同。
因此，从更本质上说，NEMS 技术已经是纳米科技的一个重要组成
部分和方向。
目前，世界各地在NEMS 及其相关方面开展的研究工作主要有：
(1) 谐振式传感器,包括质量传感、磁传感、惯性传感等；
(2) RF 谐振器、滤波器；
(3)微探针热读写高密度存储、纳米磁柱高密度存储技术；
(4)单分子、单DNA 检测传感器以及NEMS 生化分析系统(N-TAS)；
(5)生物电机；
(6)利用微探针的生化检测、热探测技术；
(7)热式红外线传感器；
(8)机械单电子器件；
(9)硅基纳米制作、聚合物纳米制作、自组装；等等。
为什么要研究发展NEMS 系统？因为人们希望对微小的力和位移进行测量。
超导器件约瑟夫森结中电流的震荡，迈克耳逊干涉仪等都可以归结为对微小位。
微机电系统发展现状及关键技术分析1 微机电系统（MEMS）现状和发展趋势随着智能制造和物联网的快速发展，传感器作为数据采集的入口，其关键器件的作用越来越重要。
万物互联时代必将使智能终端大规模推广应用，传感器的市场需求也会随之急剧增加，并且主要应用类别逐渐向具有高技术含量的MEMS传感器领域转移。
MEMS是融合微电子和微机械加工技术，将微型传感器和微型执行器以及信息处理单元等集成于一体并实现特定功能的微型智能系统。
MEMS传感器作为获取信息的关键器件，其类别繁多、应用广泛，具有质量轻、体积小、能耗低、精度高、稳定性好、集成度高以及耐恶劣工况等技术特点，对各种传感系统的微型化、集成化、模块化发展起着巨大的推动作用，已在航空航天、军事装备、工业控制、生物医疗、环境监测、汽车工业、通信通讯及智能电子产品等关键高新技术领域中得到了广泛的应用，成为国民经济和军事发展过程中的关键技术。
根据市场研究机构IC Insights发布的报告，2018年全球传感器市场规模约为215.8亿美元，其中MEMS传感器市场份额占比为78%，2018年MEMS传感器销售额增长11%，达到168.3亿美元，其中消费电子和汽车是MEMS应用的支柱性产业，共计占到MEMS应用产业规模的80%以上。
预计到2020年，全球MEMS产业将超过200亿美元。
全球MEMS产业细分市场占比见图1。
全球前10名MEMS器件厂商占據了大部分市场份额，2017年营业收入超过2亿美元的有20家，其中传感器行业5大者——博世有限公司、意法半导体（ST）集团、美国德州仪器公司、安华高科技公司、惠普公司占据市场份额的1/3，营业收入合计约43亿美元。
中国作为世界最大的电子产品制造基地，MEMS器件使用量约为全球的1/4。
2017年，中国MEMS传感器市场销售额将达到41亿美元。
全球MEMS传感器主要细分应用领域及其市场规模详见图2。
由于笔记本、平板电脑和智能手机等消费类电子产品的巨大市场需求，以及具有广阔增长潜力的可穿戴类电子设备和物联网应用市场的带动作用，MEMS传感器产业发展将进入快速发展时期。
论述危机电系统（MEMS）原理应用以及发展趋势090920413 贾猛机制四班首先，我们了解什么叫MEMS。
MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。
MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，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。
MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。
MEMS发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。
MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。
21世纪MEMS将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。
微机电系统基本上是指尺寸在几厘米以下乃至更小的小型装置，是一个独立的智能系统，主要由传感顺、作动器(执行器)和微能源三大部分组成。
微机电系统涉及物理学、化学、光学、医学、电子工程、材料工程、机械工程、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术。
微机电系统的制造工艺主要有集成电路工艺、微米/纳米制造工艺、小机械工艺和其他特种加工工种。
微机电系统在国民经济和军事系统方面将有着广泛的应用前景。
主要民用领域是医学、电子和航空航天系统。
美国已研制成功用于汽车防撞和节油的微机电系统加速度表和传感器，可提高汽车的安全性，节油10%。
仅此一项美国国防部系统每年就可节约几十亿美元的汽油费。
微机电系统在航空航天系统的应用可大大节省费用，提高系统的灵活性，并将导致航空航天系统的变革。
例如，一种微型惯性测量装置的样机，尺度为2厘米×2厘米×0.5厘米，重5克。
2019年第47卷第3期T综 述echnical review 曹富林等 NEMS 外场驱动微电机研究进展77 收稿日期:2018-04-26NEMS 外场驱动微电机研究进展曹富林,许立忠(燕山大学,秦皇岛066004)摘 要:按照外场驱动微电机的驱动机制进行分类,简要介绍了各类微电机的制造工艺及应用前景,综述了各类微电机的研究与应用现状㊂指出了当前外场驱动微电机领域的研究热点,分析了微电机在实际应用中存在的困难㊂展望了外场驱动微电机未来的发展趋势及应用前景㊂关键词:微纳米电机;纳机电系统;外场驱动;微电机;发展趋势;应用前景中图分类号:TM359.9 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2019)03-0077-05Advances in Research of NEMS Field-Driven MicromotorsCAO Fu -lin ,XU Li -zhong(Yanshan University,Qinhuangdao,066004,China)Abstract :According to the drive mechanism of the micromotor driven by the external field,the classification and themanufacturing process and application prospect of various micromotors were briefly introduced.The research and application status of various micromotors were summarized.The current research hotspots of micro-motor driven by the external field were pointed out,and the difficulties in the practical application of the micro-motor were analyzed.The future development trend and application prospects of field-driven micromotors were forecasted.Key words :micro nano motor,nano electro mechanical system (NEMS),external field driven,micro motor,devel⁃opment trend,application prospect0 引 言各种新材料技术㊁微纳加工技术㊁传统机械的学科交叉,为纳机电系统(以下简称NEMS)微电机的发展注入了动力㊂微电机可利用内部化学燃料通过催化反应实现驱动;此外,尚可通过外部能量实现驱动,可借助于磁场㊁声场㊁电场㊁光场以及多场混合等外场方式产生驱动力㊂微电机在生物医学㊁航空航天以及通信工程中具有重要的应用,特别是在生物领域的应用尤为广泛,可以实现药物的定向投放,精密手术以及生物传感等功能㊂1987年,加州大学伯克利分校以硅为原材料,利用微加工技术制造出可转动微电机[1],此后各种尺寸㊁性能和驱动机制的新型微/纳米电机不断地被研制成功㊂微电机能够实现多种形式的机械运动,例如旋转㊁滚动㊁穿梭和输送等;通常由复合材料制成,例如硅基材料㊁聚合物以及合金等,尺寸范围为微米级至纳米级;形状多样,包括线状㊁球状以及管状等㊂本文将按驱动机制对微电机进行分类,总结微电机的研究现状并展望其发展前景,为微电机的进一步发展提供借鉴㊂1 微电机类型1.1 磁驱动微纳米电机磁驱动微电机的动力是由电流产生的磁场或者磁性材料提供的㊂与其他推动机制相比,磁驱动具有良好的生物相容性和对细胞无损的能量传输机制,是微纳米电机最具前途的驱动方法之一㊂因为微电机的运动是通过外部磁场控制的,故不需要任何燃料,并且具有输出力大,输入阻抗低,驱动电压小等特点㊂电磁式微电机通常由电导体或线圈系统,软磁或硬磁材料以及绝缘和嵌入电介质组成,目前已知的磁性材料主要包括铁㊁钴㊁镍及其合金等㊂与其他材料相比,金属镍是微纳米电机制造中应用最为广泛的,镍可以通过微电铸㊁蒸发镀或者磁控溅射的方式获得㊂微电机的运动取决于磁力的大小和方向,总体结构尺寸通常在几厘米的范围内,而执行结构在微米范围内㊂电磁式微电机按照运动输出的形式可分为线性微电机和旋转微电机㊂2007年,德国布伦瑞克工业大学研制出第一代集成可变磁阻线性微电机,由定子极和移动极两部分组成,如图1所示㊂其磁通量是由缠绕在定子磁极周围的三维线圈在平面内产生的,移动梳形磁极在定子磁极之间,其两侧被电磁力吸引,移动极产生直线运动[2]㊂该微电机由紫外光刻㊁电铸和注塑技术制造 T综 述echnical review 2019年第47卷第3期 曹富林等 NEMS 外场驱动微电机研究进展 78 而成,整体外廓尺寸为10mm×12mm,梳齿间隙仅为100μm,输出力可达4mN㊂2008年,布伦瑞克工业大学在线性微电机的基础上提出一种旋转步进可变磁阻微电机,驱动原理与线性微电机相似,同样利用磁极对的相互吸引提供动力,该电机能够实现最低16.7μm的微小步幅,最大转矩达到0.3μN㊃m[3]㊂图1 集成可变磁阻线性微电机[2] 2010年,Gao等[4]采用电化学沉积法制造出纳米线微电机,首先通过微电铸制造出由Au-Ag-Ni 组成的纳米线,继而通过化学腐蚀去除部分银,减小银纳米线的直径,制造出一种鞭毛型结构,如图2所示,通过外部磁场驱动微电机尾部的镍旋转,从而推图2 纳米线微电机及驱动示意图[4]动微电机的运动㊂通过仿照细菌的螺旋运动方式, Berg H C等[5]成功将磁场驱动应用于微螺旋结构㊂磁致驱动螺旋微纳米电机可适应复杂环境,易于控制,在生命科学领域展现出很大的潜力㊂2013年, Li等[6]采用模板辅助电沉积技术制造出直径100 nm,长度为600nm的螺旋纳米电机,如图3所示,通过将Pd/Cu纳米棒模板电沉积到纳米多孔膜模板中,然后除去Cu,并用磁性Ni层电子束涂覆所得到的Pd纳米片来制备Pd螺旋纳米结构,该方法具有制作效率高,成本低廉的优点㊂近来,开始有学者(a)(b)(c)图3 螺旋纳米电机[7]采用微生物作为模板应用到微纳米电机的制造中㊂2014年,Gao等[7]以一种植物纤维为材料,成功地制造出螺旋微电机,把植物的叶片切开后平铺到玻璃基底上,采用气相沉积法使Ti和Ni沉积于螺旋植物纤维,基于Ni的磁性用外部磁场驱动电机; 2015年,Zhang等[8]以链霉菌自身结构为模板,在链霉菌表面涂抹一层铁前体溶液,通过热处理工艺获得与链霉菌结构尺寸相近的多孔螺旋电机㊂Ja⁃nus粒子具有两个性质不同的表面,因此受到众多学者的青睐[9]㊂2016年,Lee等[10]通过气相沉积金属镍,获得了具有磁性的Janus粒子,通过改变驱动磁场,能够对Janus粒子的运动加以控制㊂与纳米线类似,管状微纳米电机具有长度形状,但其特征在于具有特定内部和外部部分的管状结构㊂磁致驱动作为一种不需要任何燃料的驱动方法,是用于驱动微纳米电机的重要技术手段,已经引起研究者的广泛关注㊂当前的磁致驱动微纳米电机的研究仍处于初级阶段,但很多学者逐渐把磁驱微纳米电机应用于生物实验,例如精确靶向药物㊁细胞运输以及微创手术等[11]㊂1.2 超声波驱动微纳米电机超声波具有易于控制及良好的生物相容性等特点,能够保证微纳米电机在黏度较高的液体环境中运动㊂2012年,Mallouk等[12]首次提出并实现了金属纳米线的超声波驱动,采用模板辅助电沉积法制备了Au-Ru双金属纳米线(长2μm,直径330 nm),可以实现200μm/s的轴向随机运动;该小组还试验性地探讨了纳米线电机材料不对称性的附加影响,以及对声学推进的形状和材料依赖性的研究㊂2014年,García-Gradilla等[13]利用电沉积先后沉积金㊁镍㊁金和金银,并通过腐蚀掉部分银的方式获得了多孔纳米棒,并在超声波驱动和磁场的控制下实现对癌细胞的靶向药物杀死㊂超声波驱动的管式微型电机几乎与纳米线微型电机同时发展起来㊂2014年,Xu等[14]基于超声波气泡聚集效应,将其应用于管状微电机的驱动,证明出超声波能量与微电机的运动速度之间的相关性,驱动原理如图4所示㊂图4 超声波驱动管状微电机[14]与磁场驱动方式相比,超声波驱动方式更易于实现,不需要在微电机制造中加入磁性材料,这使得 2019年第47卷第3期 T综 述echnical review 曹富林等 NEMS外场驱动微电机研究进展79 超声波驱动比磁场驱动的应用范围更加广泛㊂但是,微电机的声学驱动在实际应用中还存在一些不足,金属纳米线的快速运动只出现在某些特定位置,而超声波驱动微型管状电机驱动时间短,这些特性均不利于超声波微电机的实际应用㊂1.3 电驱动微纳米电机电驱动微纳米电机的驱动主要是在溶液环境中实现的,必须通过施加外部电场操控微纳米颗粒的运动㊂电驱动主要包括低频交流电电渗透驱动㊁电镊驱动和电解水驱动等不同的方式㊂Papadakis 等[15]与Meyer 等[16]以碳纳米管为轴承做了更加深入的研究㊂2014年,Fan 等[17]将电操纵的办法,成功应用于对金属纳米线的驱动,如图5所示㊂该电机由一个直径300nm 的纳米线转子和铁磁轴承组成,通过施加外部电场,能够驱动纳米线转子实现连续转动;2015年,Sharma 等[18]利用非对称极化二极管和溶液中的离子电荷产生力矩,成功驱动微型颗粒㊂(a)(b)(c)(d)(e)图5 电驱动金属纳米线[17]虽然电驱动微电机的研究已经取得了一些成果,但是由于驱动方式为电场,较强的电场会导致溶液中其他物质发生电解反应,限制了电驱动方式的应用㊂1.4 光驱动微纳米电机光能作为一种在自然界广泛存在的能源,可用于实现微纳米电机的远程精确操纵㊂以光作为能源的驱动类型可分为以下三类:光镊驱动㊁光热驱动以及光催化驱动㊂光镊的驱动原理源自于光的力效应,1986年,美国贝尔实验室的Ashkin 等[19]率先利用光镊实现了对微颗粒的操控㊂目前,光镊已经被广泛应用于化学㊁物理和生物研究中㊂光镊能够实现单个或者多个微纳米颗粒的同时操作㊂光镊能够实现微型颗粒在三维空间内的自由移动[20],并且已经实现了对半导体纳米线㊁聚乙烯微球㊁金纳米线等微纳米尺度物体的定向移动[21-25]㊂光镊操控具有相当高的精度,在微纳米级的颗粒控制,细胞级的DNA 治疗等方面具有重要的应用价值[26]㊂(a)(b)(c)图6 光镊操纵微纳米颗粒[34]光诱导的热驱动具有较高的驱动效率,原理是基于光致颗粒表面温度梯度差产生驱动力㊂Qian等[27]应用该种驱动机制实现了微米级双面球电机的驱动,在光能的作用下,Au /PS Janus 球的Au 面受光照作用产生温升,使该球表面形成温度梯度,实现周围聚乙烯荧光颗粒的不均匀分布,从而引发微球的热流方向㊂2016年,Maggi 等[28]将光热驱动用于非对称形状的微米转子,该微米电机通过光刻模板技术制造,外径8μm,转速300r /min㊂光催化的致动原理为通过光照催化化学反应发生为微纳米电机的运动提供能量㊂2015年,Guan 等[29]利用TiO 2紫外线照射下过氧化氢化学分解产生氢气和氧气的特性,实现了TiO 2微管在过氧化氢溶液中的驱动,通过调节光照强度改变微管的运动速度;He 等[30]基于近红外光可控气泡驱动的方式成功驱动了Janus 粒子,在光照下Pt 壳吸收光能产生温升,进而形成温度梯度,增强化学催化提高纳米电机运行速度,无光源照射时Janus 球纳米电机随即失去动力㊂Ren 等[31]基于TiO 2光解水产生氢气的化学原理,以氢气为动力成功驱动了TiO 2/Au Ja⁃nus 球纳米电机,增强光照强度后能够明显提升电机的运动速度㊂由于光能的易于获得性,且光驱动能够保证微电机实现较高的运动精度,已经成为驱动微纳米粒子的常见方式㊂但光驱动同样面临着一些挑战,光 T综 述echnical review 2019年第47卷第3期 曹富林等 NEMS 外场驱动微电机研究进展 80 驱动需要一定的透明度,因此在活体内的颗粒光驱动受到了限制,目前的光催化驱动的微纳米颗粒集中在体外,光催化驱动的下一步发展应朝向生物方面,如精准医学和体内研究㊂2 应用及研究趋势外场驱动的微电机可以在生物体内工作,能够克服化学驱动中化学物质对生物体的损害㊂磁㊁声㊁电㊁光等均有较快的响应速度,因此,为外场驱动的微纳米电机提供了在微加工㊁物质运输㊁生物医学及环境领域等方面广泛应用的可能性㊂(1)微纳米加工领域㊂当前主要的微纳米结构加工主要还是借助于光刻和金属沉积方式来实现的,微加工设备都非常昂贵,严重制约了微纳米加工技术的发展㊂目前,已有学者利用光镊控制微球直写纳米图案,螺旋微纳米电机也成功应用于金螺旋微纳米结构的加工[32]㊂因此,为微纳米电机提供了一种低成本的微纳米结构加工方式,未来可能会运用微纳米电机实现更为复杂的微结构的加工㊂(2)靶向药物运输㊂微电机能够在体内实现精准的药物运输,基于这种方式的药物投送针对性强且效率高㊂近年,研究者报道了各类微电机在药物运载方面的应用[33-35]㊂虽然目前借助于微电机的药物运输集中在体外,但是未来的发展方向应该是实现微电机在活体内的药物运输,尤其是以磁场超声波为驱动源的微电机,具有良好的生物相容性,可以提供将抗癌药物转移运输至癌细胞处并成功杀死癌细胞的可能性㊂(3)纳米手术㊂在微纳米电机的蓬勃发展背景下,人们已经看到了微纳米电机在纳米精准手术方面的应用价值,Kagan等[36]研制的基于超声驱动方式的微管状电机,已经成功应用于对生物组织的穿透㊂但是,目前微电机在手术方面的应用集中在细胞及组织方面,距离真正在生物体内的应用还有一段距离,未来微电机的研究将会集中在如何将其应用于生物体体内㊂(4)环境领域㊂微纳米电机在环境领域中的应用主要表现在水体净化方面,用来吸附水体中的污染物,Srivastava等[37]将微米管状电机成功应用于水体中硝基芳烃污染物的降解,对水体具有良好的净化效果㊂3 总结和展望外场驱动为微纳米电机提供了在生物体内工作的可能,在微纳米加工㊁物质运输㊁生命科学以及环境治理等领域具有广泛的应用前景㊂本文按照磁㊁声㊁电㊁光等四种常见的外场驱动方式对微电机进行了综述,对各类电机的制造方法㊁工作原理以及实际应用等方面进行了简要介绍㊂虽然微电机在诸多领域均具有重要的应用价值,但是外场驱动微电机仍旧存在一些问题㊂微电机多采用重金属制成,可能对生物细胞造成损伤,无法在生物领域实用化㊂当前微电机的研究仍处于初级阶段,未来智能化的㊁多功能的微纳米电机将会是研究的重点领域,随着研究者对这一前沿领域的持续关注,微纳米电机将会对各相关领域产生重大影响㊂参考文献[1] FAN L S,TAI Y C,MULLLER R S.Integrated movable microme⁃chanical structures for sensors and actuators[J].IEEE Transac⁃tions on Electronical Devices,1988,35(6):724-730. 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