下世纪初，只要看一下戴在自己手腕上的微型电话，你就会知道你的朋友在呼叫你。

引起变化的方式有许许多多种。有的人采取的是流血的暴力行动，另一些人通过有说服力的辩论来改变我们的生活。而电气工程与计算机科学教授克拉克 · 尼因则希望通过改变我们的通讯方式来使我们的生活发生革命性的变化。尤其是，他的目的在于缩小移动电话和收音机的尺寸，直到它们变得小到可以安装在手表内或者像最近的电影“星球旅行”中所描述的科幻通讯器可以像缝在衣服上的纽扣那样小为止。

在一个微型器件上将一种发射器和接收器的线路组合在一起构成一种发射接收器（transceiver）,可以使你能够做比只是同你的朋友聊天更多得多的事情。尼因说：“将一只发射接收器戴在你的衬衣上，你的房子就会认识你，让你进和出，并且当你从一间房间走到另一间房间去的时候，它就会自动调节环境以适合你的需要。”尼因还说：“你可以在你的眼镜里安装一台电视机，或者在手腕上安装某种能做各种事情的东西，如像电话、全球定位系统和本地区的通讯网等。”

自从晶体管发明以来，研究人员就在不断设法减少单个电气组件的尺寸。重大的挑战在于，要将这些组件集成在一起，以避免必须用笨拙的导线和连接器来将它们组合起来。尼因认为，解决这一问题的出路是，将所有这些组件安装在一块单一的硅芯片上。

带着这种想法，尼因研究出了一种频率过滤器——无线电收音机的主要组件之一，它只有21微米大小。但是，重要的不仅仅是这种器件的微小尺寸。因为尼因已能用标准的光刻技术来制作这种滤波器，因此很容易将这种器件制作成一块硅芯片的组成部分。

开发一种微型的无线电发射接收器被证明是相当困难的。虽然一些重要的组件如像放大器已经利用集成电路技术实现了微型化，并且做进了硅芯片，然而对其他一些组件要想做同样的事情几乎是不可能的。为了解决这一问题，尼因选择了利用运动的微型组件——微电子机械系统（MEMS）

微型运动机械

MEMS是完成过许多实用的任务的微型器件，这些任务包括：用作传感器测量加速度，或用作一种微型的执行装置来控制空气流。它们是先用光刻技术将一种图案传送到一块硅晶片上一层又一层地组合而成，然后用化学溶剂将硅片上未曝光的部分刻蚀掉，这一过程重复进行几次以产生一种三维结构。这基本上是制造商用来制造晶体管和计算机芯片电路的同样一种技术。也许最难传送到一块芯片上去的收音机组件是它赖以工作的滤波器和振荡器，而且它们是重要的组件。通过在一个特定的频率范围内的谐振，它们可以使用户调谐到一个特定的频率，而排斥掉所有其他的频率。大多数的收听器都具有一系列比以往更狭窄的滤波器，最后的一个滤波器只能使一个单一的无线电频道通过。经过这样一次操作，这一频道携带的信息，可能是音乐、讲话或数据就能重现出来。“你的收音机只不过是一个频率选择器，”尼因说，“它的主要目的是锁定远处的某一个无线电台。”

现有的滤波器趋于以石英晶体为基础来制造，这些晶体在一个稳定的，精确的频率振荡。一种振荡器或滤波器的频率响应清晰度用一种叫作它的质量因子？的特性来加以测定。对石英晶体来说，Q值在10,000-100,000之间。作为比较，用分立的电容器和电感线圈制造的滤波器具有的Q值只有50左右。更差的是，在一块硅晶片上光刻而成的滤波器能达到的？值只有大约10。

这就是为什么尼因放弃了传统的电子学方法而选用机械方法的原因。用机械方法得到的Q值可以高达100,000。“如果你想要在一块芯片上得到所有这些系统，”他说，“唯一的办法就是采用MEMS技术。”

尼因研制的滤波器由一对平行的硅梁（siliconbeams）构成，每一根梁固定在两端的硅支撑板上，而在梁的中部可以自由振荡。这两根梁用一块薄的、柔性的硅片焊接在一起。当一根梁运动时，连接的硅“弹簧”便将这一运动传送给与它成对的另一根梁。在每一根梁下面的100毫微米处是一个电极。加在一个电极——输入电极上的一个输入信号产生一种快速变化的电荷。单纯的静电力交替吸引然后排斥在它上面的梁。如果这种无线电信号的频率与梁的揩振频率相吻合，先是一根梁，然后另一根梁便开始振荡。第二根梁的运动，在它下而的输出电极中产生一个变化的电信号。这样一来，高频信号便通过滤波器传播出去。“它工作起来就像是一根40微米长的吉它弦，”尼因说，“弹拨它，它就会在特定的频道振荡。”而那些与谐振不合拍的频率则被阻挡在外。

尼因可以通过改变梁的尺寸（较细小的梁具有一种更高的谐振频率）和弹簧的位置来调节滤波器传播的频率。但甚至还可以通过在两个中的一个支撑板下面的一个电极上加一个偏置电压来达到更精细的控制。这会改变硅结构的刚性，这本身又会轻微地改变在其处发生谐振的频率，

用串联或并联方式将这许多滤波器组合在一起，尼因就可以制造出能够阻挡或发射很大范围内的各种不同频率的器件。迄今，他的器件可以在高达70兆赫的频率范围内工作。目前，他正计划将这一频率范围扩大到更有用的千兆赫范围，为此他刚获得了美国国防超前研究计划局（DARPA）的2,600万美元的拨款。“尼因的技术有可能取代所有分立的收音机组件，”DARPA负责MEMS汁划的经理艾伯特 · 皮萨诺说，“他正在向收音机的核心问题发起冲击。”

除了它们的大小而外，MEMS滤波器还具有其他的优点，由于它们是机械组合器件，因此它们使用的功率要比传统的滤波器小得多，而且它们的大量生产会是很便宜的、这些优越性已被其他的研究人员所认识，他们也已经MEMS技术来制造微型电感器、可调电压电容量和微型机械开关。

发展前景

在我们将我们的袖珍大哥大手机更换成式发射接收器之前，还有许多重大的问题须要解决。石英滤波器有一个很大的优点，即对温度变化保持稳定，而且任何性能的变化都很容易用电子学方法加以补偿。而MEMS滤波器则容易在更大得多的程度上受温度变化的损害。当受热时，它们的微细的梁就会膨胀，从而会改变滤波器的谐振频率。为了解决这一问题，尼因考虑采用微型恒温器。它们只需要消耗很少一点功率（不超过几毫瓦）来使滤波器的机械部分保持恒温。采用MEMS器件普遍遇到的另一个问题是，它们必须密封在真空或惰性氮气中，以防止环境中的灰尘和杂质的污染，因为这些污染物质会妨碍它们的专用机械装置。

但是，尼因相信，他有能力解决这些问题。他说：“我有把握地说，在2000年以后，你就会看到这一类发射接收器出现在一种手表上。”

如果说这种器件将会改变我们的生活的话，但它还不是马上就能够做到的事情。尼因正沿着这条道路去迎接挑战。“‘星球旅行’是去开拓更广阔的领域——整个空间”，他说，“而为了使器件能在这样微小的尺度上工作，我们是在向相反的方向前进。这就是本研究工作最吸引人之处。”

[New Scientist，1998年6月]