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1、微型机械整理资料微型机械整理资料第一篇 中文资料整理一、微型机械的概念及特点微型机械（Micromachine，日本惯用词）或称微型机电系统（Micro Electro-Mechanical Syetems，即MEMS，美国惯用词）或微型体统（Micro syetems，欧洲管用词）是指可以批量制作的、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、甚至外围接口、通信电路和电源等于一体的微型器件或系统。其主要特点有：体积小（特征尺寸范围为1nm一10mm）、重量轻、耗能低、性能稳定；有利于大批量生产，降低生产成本；惯性小、谐振频率高、响应时间短；集约高技术成果，附加价值高等。微型机械

2、的目的不仅仅在于缩小尺寸和体积，其目标更在于通过微型化、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，形成批量化业。微型机械技术是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，它研究和控制物质结构的功能尺寸或分辨能力，达到微米至纳米尺度。微型机械技术涉及电子、电气、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学、光学、医学以及生物技术等多种工程技术和科学并集约了当今科学技术的许多尖端成果。微型机械的特点决定了它广泛的应用前景。微型机械系统可以完成大型机电系统所不能完成的任务。微型机械与电子技术紧密结合，将使种类繁多的微型器件问世，这些微型器件采用大批量集成制造，价格低廉，将广泛地应用于人类生

3、活众多领域。在21世纪，微型机械将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物医疗、空间、国防等的发展产生重大影响。二、微型机械加工技术微型机械加工技术是微型机械技术领域的一个非常重要又非常活跃的技术领域，其发展不仅可带动许多相关学科的发展，更是与国家科技、经济的发展和国防建设息息相关。微型机械加工技术的发展也有着巨大的产业化应用前景。微型机械加工技术是指制作微机械或微型装置的微细加工技术。微细加工的出现和发展最早是与大规模集成电路密切相关的，集成电路要求在微小面积的半导体材料上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂而完善的电路，电路微细图案中的最小线条宽度是提高集成电路集成度的关键技术和

4、标志，微细加工对微电子工业而言就是种加工尺度从微米到纳米量级的制造微小尺寸元器件或薄膜图形的先进制造技术。目前微型机械加工技术主要有基于从半导体集成电路微细加工工艺中发展起来的硅平面加工工艺和体加工工艺，80年代中期以后在LIGA（光刻电铸）加工、准LIGA加工、超微细机械加工、微细电火花加工（EDM）、等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工、快速原型制造（RPM）以及键合技术等微细加工工艺方面取得了相当大的进展。1、国外技术现状1959年，Richard P.Feynman（1965年诺贝尔物理奖获得者）就提出了微型机械的设想。1962年第一个硅微型压力传感器问世。其后开发出尺寸为5

5、0-500m的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接件等微型机械。1965年，斯坦福大学研制出硅脑电极探针，后来又在扫描隧道显微镜、微型传感器方面取得成功。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60-12m的硅微型静电电动机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力。微型机械在国外已受到政府部门、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。美国的MlT、Berkeley、Stanford、ATT和NSF的15名科学家在20世纪80年代未就提出“小机器、大机遇：关于新兴领域微动力学的报告”的国家建议书，声称“由于微动力学（微系统）在美国的紧迫性，应在这样一个新的重要技

6、术领域与其他国家的竞争中走在前面”，建议中央财政预支费用为5年5000万美元，得到美国领导机构重视，连续大力投资，并把航空航天、信息和MEMS作为科技发展的三大重点。1994年发布的美国国防部国防技术计划报告，把MEMS列为关键技术项目。美国国防部高级研究计划局积极领导和支持MEMS的研究和其军事应用，现已建造一条MEMS标准工艺线以促进新型元件装置的研究与开发。美国工业界主要致力于压力传感器、位移传感器、应变仪和加速度表等传感器有关领域的研究。有关微型机械系统的工作几乎全部在大学进行，如康奈尔大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、密执安大学、威斯康星大学等。劳伦兹利莫尔国家研究所也参于MEM

7、S开发工作，加州大学伯克利传感器和执行器中心（BSAC）得到国防部和十几家公司资助1500万美元后，建立了1115平方米研究开发MEMS的超净实验室。日本通产省1991年开始启动一项为期10年的耗资250亿日元的“微型机械”大型研究计划，研制两台样机，台用于医疗，进入人体进行诊断和微型手术，另台用于工业，对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修。该汁划有筑波大学、东京工业大学、东北大学、早稻田大学和富士通研究所等几十家单位参加。欧洲工业发达国家也相继对微型系统的研究开发进行了重点投资，德国首创的LIGA工艺为MEMs的发展提供了新的技术手段，并已成为三维结构制作的优选工艺。欧共体组成“多功能

8、微系统研究网络NEXUS”，联合协调46所企业和64个研究所的研究。瑞士在其传统的钟表制造业和小型精密机械工业的基础上也投入丁MEMS的开发工作，1992年投资为1000万美元。英国政府也制定了纳米科学计划，在机械、光学、电子学等领域列出8个项目进行研究与开发。为了加强欧洲开发MEMS的力量，一些欧洲公司已组成MEMS开发集团。目前已有大量的微型机械或微型系统被研制出来，例如：尖端直径为5m的微型镊子可以夹起一个红血球，尺寸为7mm x 7mm x 2mm的微型泵流量可达250lmin，能开动的3mm大小的汽车，在磁场中飞行的机器蝴蝶，以及集微型速度计、微型陀螺和信号处理系统为一体的微型惯性测

9、量组合（MIMU）。德国创造丁LIGA工艺，制成了悬臂梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴，湿度、流量传感器，多种光学器件。美国加州理工学院在飞机翼面粘上相当数量的1mm左右的微梁，控制其弯曲角度以影响飞机的空气动力学特性。美国大批量生产的硅微加速度计把微型传感器（机械部分）和集成电路（电信号源、放大器、信号处理和自检正电路等）起集成在3mmX3mm硅片上。日本研制的数厘米见方的微型车床可加工精度达1.5m的微细轴。2、国内技术现状我国在科技部、国家自然科学基金委员会、教育部和总装备部的资助下，一直在跟踪国外的微型机械研究，积极开展MEMS的研究。现有微电子设备和同步加速器为微系统研究提供了基本条

10、件，微型驱动器和微型机器人的开发早已列入国家863高技术计划及攀登计划B中。已有近40个研究小组，取得了一些研究成果。广东工业大学与日本筑波大学合作，开展了生物和医用微型机器人的研究，已研制出一维、二维联动压电陶瓷驱动器，其位移范围分别为 5m和50mx50m，在此基础上，还研制出位移范围为50mx50mx50m，精度为0.1m的三自由度压电陶瓷驱动的微型机器人。哈尔滨工业大学研制出了电致伸缩陶瓷驱动的二自由度微型机器人，其位移范围为10mx10m，位移分辨率为0.01m，正在研制六自由度微型机器人；长春光学精密机器研究所研制出直径为3mm的压电电功机、电磁电动机、微测试仪器和微操作系统。上海

11、冶金研究所研制以直径为400m的多晶硅齿轮、气动涡轮、微静电电动机和压电电动机；清华大学开展并研制出了微电动机、多晶硅梁结构、微泵与阀。上海交通大学研制出直径为2mm的电磁电功机，南开大学开展了微型机器人的控制技术的研究等。3、微型机械的发展趋势微型机械的发展刚刚经历了十几年，在加工技术不断发展的同时发展了一批微小器件和系统，显示了巨大生命力。到2000年，压力传感器将居市场的主导地位（25）、其次为光学开关（21）、惯性传感器（20）、流体调节与控制（19）、大容量存储器（6）和其他器件（9）。1995年全世界微型机械的销售额为15亿美元，到2000年将猛增至139亿美元，并带动2000亿美

12、元的相关市场，显然微型机械及其加工技术有着巨大的市场和经济效益。微型机械是一门交叉科学，和它相关的每一技术的发展都会促使微型机械的发展。随着微电子学、材料学、信息学等的不断发展，微型机械具备了更好发展基础，加上巨大的应用前景和经济效益以及政府、企业的重视，微型机械发展必将有更大的飞跃，新原理、新功能、新结构体系的微传感器、微执行器和系统将不断出现，并可嵌入大的机械设备，提高自动化和智能化水平。三、微小型化的尺寸效应和纳米摩擦学1、微小型化的尺寸效应伴随着机械构件的微小化将出现尺寸效应，即制造微构件的材料性能特别是力学性能将发生很大变化，微型机械的微小型化的尺寸效应通常出现在构件的一定尺寸范围内

13、，尺寸效应反映在多方面：（1）力的尺寸效应。在微小尺寸领域，与特征尺寸的高次方成比例的惯性力、电磁力（L3）等的作用相应减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力（L2）、表面张力（L1）、静电力（L0）等的作用相对较大。（2）表面效应。随着尺寸的减小，表面积与体积之比相对增大，因而传导、化学反应等加速，表面间的摩擦阻力显著增大。（3）误差效应。对于微小构件，加工误差与构件尺寸之比相对增大，这可能使微小机械的特性受误差影响甚大。（4）材料性能。尺寸减小，材料内部缺陷减少，材料的机械强度大幅度增大。微型薄膜构件的弹性模量、抗拉强度、残余内应力、断裂韧性、疲劳强度等与传统构件的不尽相同，当尺寸减

14、小到一定程度，有些表征材料性能的宏观物理量需要重新定义。2、纳米摩擦学随着尺寸减小，人们需进一步研究微动力学、微细管道流体特性、微小物体的热力特性、微观摩擦机理及仿真、拟实技术等。微观摩擦机理主要指纳米摩擦学，其是建造微型机械的关键技术，纳米摩擦学是在原子、分子尺度范围内，研究摩擦界面上的行为与损伤及其对策，包括纳米膜润滑和微摩擦磨损机理，以及表面和界面的分子（原子）工程研究，即通过材料表面改性或建立超薄膜润滑状态，达到减摩耐磨的目的。微型机械系统的设计加工对纳米摩擦学的研究和发展提出以下几方向的要求：（1）对于微型机械系统中作为运动阻力的摩擦，应尽可能地降低摩擦能耗，甚至实现零摩擦。另一方面

15、，微型机械系统往往利用摩擦作为牵引力或驱动力，例如在管道内爬行的微型机器人，即是利用管壁摩擦力来驱动，此时则要求摩擦力具有稳定的数值，而且可以适时地进行控制和调节。（2）通过超精密制造的微型机械，其摩擦副的间隙常处于纳米量级甚至零间隙。这种情况下的摩擦磨损和润滑问题，不能再用宏观摩擦学的理论来分析和处理，而必须研究以界面上的原子、分子为分析对象的纳米摩擦学。近年来研究表明，由于纳米尺度的超细颗粒制备的表面膜具有不同于整体材料的独特性能，而超薄润滑膜的性质也不同于粘件流体膜和吸附边界膜，通过界面分子工程可望形成低剪切和高承载量的界面层。（3）纳米摩擦学在微型机械中另个主要研究领域是建立以分子（原

16、子）动力学为基础的计算机模拟研究，其基本要点是建立一个粒子系统，以模拟所研究的摩擦学现象，通过数值方法，计算该系统中所有粒子运动规律，再由统计平均求得系统的宏观性质和行为。应用分子（原子）动力学模拟技术，在表面接触形态和微观变形、滑润剂分子层的剪切性能，以及超薄润滑膜流变特性和相交等方面也取得重要进展。（4）微型机电系统中带电接触副和摩擦副的微观摩擦磨损与防护，以及要求超净环境的微观密封技术等，也是纳米摩擦学中有持研究的重要课题。纳米摩擦学是微型机械学中发展最为迅速的领域，己取得重大突破。在实验研究方面，已经建立了研究界面分子层摩擦磨损行为和超薄膜润滑机理比较完善手段和测量仪器，包括不同纳米间

17、隙下摩擦界面上作用力和粘着能量测量，表面分子涂层和超洁净表面摩擦特性实验研究，应用原子力显微镜和分子力显微镜研究表面纳米厚度层的力学性质，以及单分子吸附膜的摩擦力和流变特性，根据光干涉相对光强原理研制的薄膜测量仪用纳米润滑薄膜特性研究等。通过实验研究已提出了微摩擦起因、界面粘着机理以及边界润滑膜的构性关系等一系列观点。四、微型机械材料和微型构件微型机械加工所用制造材料主要有硅体物质（单晶硅、多晶硅、处延硅层、二氧化硅、氮化硅、碳化硅）、光致抗蚀剂、石英、金刚石、压电陶瓷、记忆合金和稀贵金属等。具中最主要的基础材料是单晶硅，迄今几乎所有微型机械基本上都是以单晶硅为基底，在其中进行各种平面或体加工

18、而制成的，这是因为单品硅有如下特点：一是由于它有最适宜于微细加工的结构和特性，拥有类似于金刚石的晶体结构；二是由于它比多数金属硬度高，有适用于微型机械应用的足够机械强度和耐疲劳的能力；三是由于其来源广泛，提纯和控制技术成熟，为制造价廉的微型机械提供了先决条件。对于新发展的可动型微型机械，因单晶硅有脆性大、摩擦系数大、高速运动下易断裂的缺点，一般都采用多晶硅制造，但通常仍需以单晶硅为基底，再在单晶体上淀积多晶硅，然后对多晶硅进行各种构形加工。微结构材料由于其特殊的制造方法而具有与整体材料不同的物理性能，整体材料通常经熔炼、压延、切削加工等成形过程，而微机械构件大多用气相、液相或固相法等完全不同的

19、方法制造，它们的物理性能与制造过程密切相关，而且材料性能随着构件结构和加工制造方法和工艺参数变化很大。微型机械零件所用材料可依据构件的功能和加工制造方法来选择。（1）功能材料。用于致动的功能材料有水晶、氧化锡、PZT等电致伸缩材料；钛镍合金等形状记忆合金材料；镍铁合金等永磁材料；受热变相的凝胶材料等。（2）构造材料。半导体微细加工材料包括单晶硅、多晶硅、氮化硅等硅材料；陶瓷等非金属材料；聚酰亚胺等高分子材料；铝、钨、钼、铬、金等金属材料。LIGA加工方法主要以镍、铜、金等金属材料和塑料为主。超精密机械加工则以各种金属材料为构造材料。微型构件除是MEMS的重要组成都分外，还可能有单独的用途，如微

20、型热交换器、冷却器、微型滤波器、蒸馏塔、微型工具、微型探针和灵巧轴承等。五、微型机械的测试技术微型机械加工技术的发展离不开微型机械测试技术装置的发展。这其中最令人振奋的是扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope即STM）的出现，IBM苏黎世研究所的Binnig和Bohrer在80年代初成功地发明了这种仪器，为此获得1986年诺贝尔物理奖，接着又在STM基础上派生出原子力显微镜（Atomic Force Microscope 即AFM）。STM是利用导体针尖与样品之间的隧道电流，并用精密压电晶体控制导体针尖沿样品的表面扫描，从而能以原子尺度记录样品的表面形貌以及

21、获得原子排列、电子结构等信息。STM的主体由三维扫描控制器、样品逼近装置、减震系统、电子控制系统、计算机控制数据采集和图像分析系统等组成，STM工作原理是利用量子隧道效应。STM的纵向分辨率己达到0.01nm，横向分辨率优于0.2nm。STM可用来研究各种金属、半导体、生物样品的表面形貌，也可研究表面沉积、表面原子扩散和徙动，表面粒子的成核和生长、吸附和胶附等。STM可在真空、溶液、常温、低温等不同环境下工作。使用STM和AFM等这类显微镜，可以观察到原子、分子的结构，从宏观进入到了微观世界。STM的出现在国际上一度掀起了巨大热潮。根据不同检测物理量，基于STM发展起来了一系列利用探针与样品的

22、不同相互作用来探测表面或界面纳米尺寸上表现出来的物理与化学性质的扫描探针显微镜SPM（Scanning Probe Microscope）。此外，光学干涉显微测量技术亦得到长足发展，如外差干涉测量技术、超短波长干涉测量技术随着一些新技术、新方法的应用亦具有纳米级测量精度。新型微型机械的测试仪器对表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术等众多领域有重大意义和更广阔应用前景，最近利用STM、AFM检测表面粗糙度和晶粒高度差，已相当成功。更为可喜的是，基于STM的纳米加工技术，可操纵原子和分子。如美国IBM公司利用STM将35个Xe原子构成“IBM”三个字母。中国科学院化学所通过STM，将原子摆放

23、成我国的地图；预计STM将会有更大突破，如华中理工大学利用STMAFM做了金刚石刀尖钝圆半径的测量。已有信息表明，人们可利用STM做更高集成度的大规模集成电路。如在硅片上覆盖一层20nm厚的聚甲基丙烯甲酯，再利用STM光刻，可得到10nm宽的线条。最近为了突破高分辨率的大尺寸的测量，日本松下技研（株）将AFM探针装到三坐标测量机的测头上，制造了一台纳米分辨率精度的三坐标测量机；中国科技大学精密机械和精仪系，研制成与光学显微镜结合的STM，在CCD摄像机监控下，利用XY冲击式样品台，可将针尖移动到10mmxl0mm样品上的特定区域上扫描，仪器是有原子级量级的分辨率，最大扫描范围可达2mx2m。东

24、京大学高增洁介绍最近研制了以纳米分辨率级的nanoCMM（nano三坐标测量机），这对当前微机械发展提供了较好环境条件。以上资料摘自：盛晓敏,邓朝晖.先进制造技术.北京:机械工业出版杜,2000.9:177-189.苏继龙介绍了微构件外形几何尺寸和材料内部微结构尺寸对其弹、塑性力学性能尺度效应耦合影响的实验和模型研究的国内外重要进展。主要介绍了拉伸试验方面、弯曲试验方面及模型分析方面的国内外进展情况，并指出这些研究存在的不足：（1）只从微构件某一个尺寸的角度（如厚度）展开，且测试数据离散性较大，一定程度上降低了实验和理论分析结果的通用性和权威性；（2）尚缺少定量描述尺寸效应与构件外形尺寸和材料

25、内部微结构尺寸之间耦合影响关系的模型，也未能全面阐明尺度效应多尺寸影响的内在物理机理。提出了今后的研究方向：综合考虑微构件外形尺寸和内部显微结构尺寸对其力学性能的影响，建立预测其力学性能尺度效应的分析模型，探索弹性和塑性尺度效应过渡区的尺寸相关的特征及基于位错的微观机理。文永蓬以提高微机械陀螺性能为目的，设计了一种新颖的音义振动式微机械陀螺，并对其进行了动力学分析。国内外很多学者都提出过各种不同的MEMS动态系统建模与仿真方法，其中以MIT的Gabbay博士提出的黑箱模型以及Carnegie Mellon大学的Fedder教授提出的节点分析法最为有名1各种基于等效电路法与混合信号硬件描述语言法

26、(VHDL-AMS)的MEMS动态系统建模与仿真软件，如NODAS1 ,SUGAR2软件也逐渐被应用到了MEMS设计过程当中。1 Vandemeer J E. Nodal design of actuators and sensors D. Pittsburgh, USA: Carnegie Mellon University,1998.2 Bai Z, Bindel D, Clark J, et al. New numerical techniques and tools in SUGAR for 3D MEMS simulation A. Technical Proceedings of

27、the 2001 International Conference on Modeling and Simulation of Microsystems c.Orlando, USA: Nano Science & Technology Institute , 2001.31-34.随着微机电系统的发展，机构的特征尺寸及相互间距常处于微米、纳米量级，因此需要考虑量子力的影响，如Casimir力。常更生华对平行平面间的Casimir力进行分析，表明随着间距的减小Casimir力会迅速增人，然后得出微弹簧震子的结构模型，通过模型的受力和动力学研究发现，机构发生粘附效应不仅与其自身的特征参数C有关，

28、还同被粘附构件的初始位置或初始能量有关。许多微尺度实验证实，一些材料在微尺度下的力学性能存在尺寸效应。孔胜利基于一种修正偶应力理论，研究细长压杆屈曲载荷的尺寸效应现象，利用变分原理得到细长压杆屈曲变形的控制方程和相应的边界条件。通过对相应的屈曲边值问题的求解，得到细长压杆的屈曲载荷表达式。结果表明，当细长压杆的特征尺寸与其材料本征尺度参数相当时，其屈曲载荷显著增大，表现出明显的尺寸效应。 微旋转机械是MEMS中主要的驱动装置和动力源，得到突破性进展，先后出现了静电微电机、微涡轮机、微发动机等微旋转机械。在微旋转机械中，由于IC (integrated circuit)加工、装配等原因，微转子会

29、产生较大偏心，引起微转了系统的振动以至于产生碰摩，特别对于超高速微旋转机械，当偏心引起的振动超过一定的限度，往往会导致系统运行出现故障。张文明以Jeffcott微转子系统为研究对象，建立微转子系统的碰摩力学模型和系动微分方程，应用现代非线性和转子动力学理论，采用定步长四阶Runge- Kutta法对运动微分方程进行数值分析，得到微转子偏心量变化时的振动响应，以偏心量为分岔参数分析微转子碰摩时的振动响应与非线性动力特性，并以实验结果讨论偏心量对微转子系统动力特性的影响。苏继龙 多晶体材料微构件尺度效应的实验和模型研究 Micronanoelectronic Technology Vol. 46

30、No. 10：610-615文永蓬 基于滑膜阻尼的间接连接型音叉式微机械陀螺常更生华 量子力对微、纳米级机构的影响研究 机械设计Vol. 22 No.7:4-6孔胜利 基于偶应力理论的压杆屈曲载荷的尺寸效应 机械强度 2009, 31(1):136-139张文明 碰摩微转子系统非线性动力特性研究 机械强度 2006, 28(4):475-479贾延龄利用多刚体系统动力学中的RSHuston法，对其中既有集中质量载荷，又有均布质量载荷，刚体间既允许有低副连接，也允许有高副连接，刚体运动既受串联关系影响，又受并联关系影响的复杂机械力学系统，利用图论描述其结构，经实施两种性质不同的减缩化，使之成为有

31、根树状力学系统，建立起统一的动力学模型获得了一般的动力学方程。可采用Broyden法求解非线性方程，以及用AdamsPECE法求积。贾延龄 复杂机械系统动力分析 山东建材学院学报 Vo1.11 No.3 1997年9月:224-230李华用Adomian分解算法的思想，把机械系统中最一般的动力学模型转化为一阶标准型微分方程组，以形式上的精确解的表达式为基础构造了求解机械系统非线性模型近似解析解的A一算符方法(AOM)；在所建立的AOM 的基础上，首次提出了基于AOM 的符号一数值方法(SN方法)。最后，应用AOM 得到了单自由度凸轮一从动件非线性系统模型近似解析解的表达式，分析了该算法的误差。

32、对两自由度凸轮一从动件非线性系统应用基于AOM 的SN 方法进行了数值研究，得到了系统的数值计算结果。算例表明，AOM 是求解非线性方程的一种可行而有效的方法。李华 机械非线性动力学分析的A-算符方法 机械工程学报 Vo1.38 No.7 Ju12 0 0 2:31-36微机械是人们认识和改造微观世界的一种高新技术，国际上至今对它还没有一个统一的定义。日本的一些学者根据结构的特征尺寸将微机械分为3种类型：1100 mm为微小型机械；10ml mm 为微机械；10nm10m 为纳米机械。它在美国常称为微机电系统，在日本称作微机器，而在欧洲则称作微系统，以其体积小，重量轻，惯性小，耗能低，性能稳定，谐振频率高，响应时间短，生产成本低，利于大批量生产，附加值高等特点，在生物医学、航空航天、军事和工农业各方面有广阔的应用前景，对人类社会文明有重要意义。目前，对于微机械产品的研制开发主要侧重于制造加工工艺方面，并且已取得了一定的进展。然而，在微机械设计理论方面尚缺乏系统研究，这严重束缚了微机械的进一步发展，微机械动力学是微机械设计理论的一个重要组成部分。1、微机械动