在自然界中，谐振(又称共振)是很普遍的物理现象，在许多实际问题中起着重要的作用，有利有弊。谐振现象的原理涉及电子学、机械学、力学、生物医学、电磁学、原子物理学等多学科交叉领域。20 世纪初，基于谐振原理设计制成的石英晶体谐振器是最早实现的谐振式电子器件，它可以将电能和机械能相互转换，具有较高的品质因子及良好的频率稳定性，是核心的时间元件和频率元件，可以提供基准时钟信号和接收传输信号。但是，受石英材料、传统加工工艺及无法与半导体电子器件集成的限制，石英晶体谐振器难以满足目前微型化电子系统的需求。
▲ 石英晶体谐振器结构示意图
1959 年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者费曼(Feynman)发表题为“There’s plenty of room at the bottom”(底部还有大量空间)的重要演讲，首先提出了微机械的设想。微/纳机电系统(micro-electromechanical system/nano-electromechanical system，MEMS/NEMS)是微纳机械结构和微电路在芯片上的集成技术的体现，具有体积小、质量轻、功能强、功耗低、性能优越等特点，属于“超越摩尔”的发展范畴。
▲ MEMS/NEMS 技术的摩尔定律
MEMS/NEMS自20 世纪80 年代末崛起以来发展极为迅速，为新材料、新工艺、新器件、新系统技术的发展带来了根本性的变革。随后涌现出的谐振式微/纳机电系统、生物微/纳机电系统、射频微/纳机电系统、光学微/纳机电系统、微纳米机器人等诸多新技术，已成为当前交叉学科的重要研究方向，在机械电子、信息通信、航空航天、生物医学、环境能源、国防军事等领域有着广阔的应用前景。
▲ MEMS/NEMS 谐振器技术的典型应用
MEMS/NEMS 谐振器是MEMS/NEMS 的关键部件之一。随着微纳加工技术的飞速发展，MEMS/NEMS 谐振器更加智能化、小型化、多功能化和集成化。硅基材料等制成的MEMS/NEMS 谐振器具有高性能、低成本、易于系统集成等优势，这将会带来巨大的技术变革，因此，MEMS/NEMS 谐振器的设计与加工制造展现出极大的发展潜力。
▲ 电化学热解碳基谐振器的制备工艺流程图
同时，一维、二维新材料的涌现推动了原子级尺寸器件的发展，使器件呈现出超高分辨率、超高灵敏度、超高品质因子等诸多优异的特性，在超高精度探测、量子信息等领域取得了突破性发展。但是，微纳尺度器件工作时会出现丰富的非线性现象及复杂的非线性动力学行为，这为利用新效应、新原理、新材料、新工艺与新技术对MEMS/NEMS 谐振器进行创新设计、制备及应用提出了严峻的挑战。
▲ MEMS/NEMS 谐振器中的非线性效应及动力学表征方法简图
MEMS/NEMS谐振器技术是一门综合集成与应用的技术，体现了多学科交叉、融合和延拓。《MEMS/NEMS谐振器技术》（张文明，胡开明著. 北京：科学出版社，2023.8）一书以作者所在上海交通大学研究团队近年来的科学研究工作为基础，融合最新研究成果撰写而成。本书内容丰富、新颖，具有一定的深度和广度，内容安排上力求由浅入深，各章节相互关联；旨在通过对MEMS/NEMS 谐振器动力学设计基本理论及应用技术的综合探讨，体现理论和实践并重，促进微纳尺度动力学设计理论及谐振传感技术的发展，加快MEMS/NEMS 应用和产业化发展的步伐。
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MEMS/NEMS 谐振器由于能同时实现多种物理量传感探测的优异特性，具备实现感存算一体化的巨大潜力，因此它将在未来的纳米机器、大数据和人工智能时代充满机遇和挑战。随着信息产业和人机接口技术的快速发展，人工智能、虚拟现实和增强现实技术正在与MEMS/NEMS 可穿戴器件相融合，形成三维空间的全局感知。
▲ 蜘蛛网纳米机械谐振器
受自然界蜘蛛网启发，Shin 等将纳米技术和人工智能(机器学习)相结合，成功设计出一种可在室温下工作、极为精确的微芯片传感器—蜘蛛网纳米机械谐振器，创造了世界上最精确的微芯片传感器之一。
本文摘编自《MEMS/NEMS谐振器技术》（张文明，胡开明著. 北京：科学出版社，2023.8）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-075719-7
责任编辑：陈 婕 纪四稳
本书主要介绍微/纳机电系统(MEMS/NEMS)谐振器动力学设计理论、分析方法及应用技术。全书共9 章，主要内容包括：MEMS/NEMS技术基础和MEMS/NEMS 谐振器技术的发展历程与发展趋势；谐振器的工作原理、谐振结构设计理论及分析技术；谐振器件制备涉及的材料、微纳加工工艺及技术；谐振器中存在的丰富非线性现象和复杂动力学行为；微纳尺度下的能量耗散理论、阻尼特性、作用机制及测试方法；谐振器中应用的各种振动激励与检测原理及技术；通道式MEMS/NEMS 谐振器检测原理、动力学设计与分析技术；微纳尺度下谐振器件的模态弱耦合作用机制、谐振器设计及传感技术；谐振器中存在的典型失效模式与失效机理，以及多种可靠性评估方法和测试技术。
本书可供微电子学、机械工程、信息通信、航空航天、生物医学、凝聚态物理、环境能源、国防军事等领域从事MEMS/NEMS 技术及相关应用工作的科研人员和高等院校相关专业的师生阅读参考。
（本文编辑：刘四旦）
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