从1959年Richard Feyman的《在底部还有很大空间》的著名演讲中提出的“一个原子一个原子地制造物品的可能性”到1984年他在另一次演讲中提出的“制造极其微小的、有可移动部件的机器的可能性”，再到2016年三位诺贝尔化学奖获奖人Jean-Pierre Sauvage、Sir J.Fraser Stoddart和Bernard L. Feringa发明了“行动可控、在给予能源后可执行任务的分子机器”，生动形象地说明了微纳制造的发展历程。而微纳制造今日的蓬勃发展也正如中国古代道家典籍《庄子》中所描述的常年征战不朽的蜗牛两根触角上的两个小国家，两根蜗牛触角就是他们的整个世界，也正如中国古语所言“螺蛳壳里做道场”、“小天地里大乾坤”，微纳制造和它所打造的MEMS/NEMS将人类社会带进了一个设计和制造的全新领域。

从1987年诞生于美国，直径只和头发丝相当的第一台硅微静电机算起，微纳制造在仅仅30年的时间里，开辟了一个全新的制造领域和产业，微传感器、微执行器、微型构件、微光学元件等微纳器件在航空、航天、国防、汽车、生物医学、环境监测等领域展现了良好的应用前景。如同微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，微纳制造也将对人类社会产生新一轮的影响。

微纳制造的关键在于实现功能部件在微纳米尺度的制造，这是宏观机械加工手段难以满足的。光学光刻工艺是最普遍的微纳图形制造方法，首先在基底材料上旋涂一层光敏物质，通过紫外曝光、显影使感光层受到辐射或未受辐射的部分留在基底表面；然后通过沉积或腐蚀等技术手段将感光层的图案转移到基底表面，完成微纳平面结构制造。在光学光刻工艺中，衍射是是曝光过程中无可避免的问题，它限制了光刻的最小线宽，例如紫外接触式曝光系统可以制备出的最小线宽大约为500nm。为此，人们也开发了其他的曝光方法，包括电子束曝光、离子束曝光以及X射线曝光等，但从科学原理上来说，其成像系统依然依赖于粒子束的直径，使得光刻技术从本质上就无法深入到数个纳米或亚纳米尺度量级。另外，随着尺度的降低，进入到介观甚至微观物理学范畴，量子效应对于电子的输运起主要作用，伴随而来的量子隧穿效应、热效应、响应速度降低等问题严重制约了集成电路的制造。目前，工业化的集成电路芯片的最小特征尺寸为16nm。在进一步缩小特征尺寸中，遇到了前所未有的科学与技术难题。

光学光刻工艺一般只能制造二维微纳图案，MEMS工艺可以构筑真正意义上的三维微结构，在光刻完成对二维平面结构的定义之后，通过刻蚀等技术手段去除部分基体材料，从而得到特定形状的体构型，如图1所示为美国SANDIA国家实验室采用MEMS工艺加工的微齿轮结构，每个齿轮的直径都在1mm以下，这是传统机械加工技术难以实现的，但MEMS技术加工精度在微米或亚微米尺度下，还无法有效地加工出纳米尺度下的三维功能结构。同时，深刻蚀技术伴随而来的footing效应与lag效应等，也限制了MEMS加工的精度和可靠性。

近年来，科研工作者也开发了其他各类的微纳制造方法，如光刻工艺、MEMS工艺、纳米压印、丝网印刷、飞秒激光刻蚀、聚焦离子束等。从科学原理上来看，这些技术手段都属于自上而下的微纳米加工工艺，即功能结构由宏观的基体材料加工成型，这在原理上就限制了该类技术深入到纳米尺度下的加工精度。另一类微纳米加工技术是基于自下而上的原理的，如自组装技术，结构单元甚至分子、原子通过物理（范德瓦尔斯力、分子表面力等）或化学作用按照既定的规则自组装成一种设计的结构，自下而上工艺虽然在加工精度上得到了提高，但是对于宏观体系的性能调控依然有待提高。

在微纳制造中，器件微纳尺度化以后，构件材料本身的力学、热学、电学以及生物学等性质发生了很大的变化，进而造成微纳系统本身发生变化，这些变化都超出了宏观科学理论所能解释的范畴，从而使得人们无法有效预测并调控一个微纳米系统的结构尺度和性能，成为限制微纳制造发展的挑战。限制微纳制造发展的主要科学问题详述如下：

表面力效应：相对于宏观结构，微纳尺度下的构件具有很大的表面积与体积之比，因此在传统理论中常常被忽略的表面力此时可能起到主导作用，例如在微型马达的研究过程中，研究者发现转子的转动受限于表面力的制约而非传统的摩擦作用力。而表面力来自于静电力、范德瓦斯力等物理作用力，甚至界面间的化学键形成，这些复杂的力学系统，使得人们无法对微纳米机械系统进行准确的力学建模，限制了微机电系统的设计与功能实现。

微纳尺度材料性能变异：大量的实践表明，当材料尺寸进入到微纳米尺度后，材料的力学性质和宏观材料相差很大。比如传统工艺制造的陶瓷材料都表现出脆性的特征，而由纳米材料制成的纳米陶瓷不仅保有传统陶瓷材料强度大，耐高温，耐腐蚀等特性，还具有很好的韧性，在一定条件下，甚至还会出现较好的塑性，例如纳米TiO2陶瓷在180°C高温下的塑性变形可达100%。这类材料力学性质的变化，可能是由于在微纳尺度下，材料内部的缺陷、位错更少，且几乎是单晶材料，有利于提高材料的强度和韧性等，但更深层次的原因还需探索。

深入到纳米尺度之后，材料的电学特性除了受到传统的固体物理理论的限制外，还受到低尺度结构下的几何边界条件约束，致使材料的能带结构与载流子疏运发生了极大的变化，从而表现出电学特异性。例如，石墨烯是人类史上首次发现的二维材料，因其优异的电学、热学、光学和材料力学等性能，而一度受到人们的广泛关注，是目前纳米技术的研究热点。但是石墨烯却表现出了不同于宏观物理的电学性质，传统固体物理学无法适用于石墨烯的电学研究，从能带上看，传统材料的载流子表现为抛物线性的能带结构，而石墨烯中的载流子表现为线性的能带结构；与此同时，一般材料中的电子方程是由薛定谔方程来描述的，而单层石墨烯中的载流子则表现为一种奇特的相对论性的狄拉克费米子行为。

微纳尺度热传导：随着特征尺寸深入到100nm以下，固体中的热流主要载体为短波声子，其平均自由程大致在1到100nm之间。当声子的平均自由程以及波长与器件的尺寸接近时，宏观传热学下的热传导理论（如玻尔兹曼方程）已无法完全准确地适用于微纳尺度下的热学分析。例如，宏观的热传导是一个线性响应的疏运过程，而在微纳尺度下的热输运是非线性的，即热流密度并不正比于温度梯度。到目前为止，还没有足够完善的理论能够很好地处理短波声子的波动性对热传导的影响。

此外，对微纳制造而言，测量和表征问题也亟待解决。对纳米材料和纳米器件的研究和发展来说，测量和表征起着至关重要的作用，这是由于人们对纳米材料和器件的许多基本特征、结构和相互作用了解的还不是很充分，使其在设计和制造中存在很多盲目性；换句话说，纳米制造和应用是以研究纳米材料和器件在复杂环境中的准确可靠测量为基础的，不论这些纳米材料还是纳米器件具有什么功能，首先需要对其结构特点有一个定量的结论，这需要测量设备和测量技术来完成。为了保证测量结果的准确性和可比性，需要对新的纳米设备和测量技术进行研究。

综上所述，微纳制造经过30多年的发展已经取得了显著的成绩和广泛的应用，但是在微纳制造领域也存在着限制其发展的巨大挑战：跨尺度多物理场耦合的科学难题。为解决该科学问题，还需大量的科学探索以增强人们对于微纳米系统的客观认识，任重而道远。道路是曲折的，前途是光明的。我们确信：在“微纳”的“小天地”里，会有更为广阔的“大乾坤”，在微纳制造这个“螺狮壳”中的“道场”里，还会诞生更多的传奇故事。而对我们这些在微纳制造领域的“追梦人”，永远都是“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。