机械原理
论
文
学院：机械与动力工程学院专业班级：机电xxx
姓名：xxx
学号：xxx
微型机械浅论
专业班级：机电xxx 姓名：xxx 学号：xxx
一、微型机械概述
1.背景
科学技术向微小领域发展, 由毫米级、微米级继而涉足纳米级, 人们把这个领域的技术称之为微米/纳米技术。
微米/纳米技术使人类在认识和改造自然方面进入一个新的层次, 开发物质潜在的信息和结构能力, 使单位体积信息处理和运动控制的能力实现又一次飞跃。
将在信息、材料、生物医疗、航空航天和工业等方面产生重大影响。
1962 年微小器件的先驱——硅微压力传感器问世, 其主要技术基础是硅膜、压敏电阻和体硅腐蚀工艺。
其后用硅加工方法开发出尺寸为50μm～ 500μm的齿轮、齿轮泵、气动轮及连接件等微型机构。
1987 年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60μm～ 120μm的硅微静电电机, 主要技术基础是牺牲层腐蚀工艺和静电驱动, 显示用硅微加工方法可以制作三维可动的机电系统。
日本通产省自1991 年度开始实施为期10 年、总投资250 亿日元“微型机械技术”大型研究开发计划。
这两个举动对世界的微传感器、微执行器和微系统的发展有重要影响。
虽然第一个硅平面工艺专利发表于1952 年,但是直到20 世纪90 年代初, 才出现用硅平面工艺生产带有信号处理电路的微
型加速度计(以AD 公司为代表) , 主要设计基础是梳状结构和微电容检测电路, 实现了微小机械结构与电路的一体化集成。
2.定义
日本 1988 年使用“微型机械”一词, 它是从大机器到制造小机器而发展起来的。
1989 年日本通产省把它用作国家大型计划的名称。
微型机械侧重于在不大于1 cm3的体积内制造复杂的机器。
一些日本学者曾大致地这样划分: 1mm～10 mm 为小型机械; 1μm～1 mm为微型机械; 将来有可能借助于生物工程和分子组装实现1nm～ 1μm的纳米机械或分子机械。
二、微尺度系统的理论基础
早期的执行器尺度效应研究, 建议选用静电、液压或气动驱动, 例如当器件尺寸由R = 1 mm 减小到 r = 1μm时, 不同的力或能量等减小的情况当特征尺寸达到微米和纳米量级时, 许多物理现象与宏观世界有很大差别, 提出了很多新的科学问题, 如尺度效应、热传导、微流体特性、微光学特性、微构件材料性能、微结构表面效应和微观摩擦机理, 等等, 有人称之为微科学。
要发掘和利用微小尺度现象的潜能, 才有高层次的创新。
新概念的微型双组元火箭发动机是微动力系统PowerMEMS 的一个范例。
它由5-6 片芯片叠在一起, 共3 mm 厚, 内有混合燃烧室、喷口喷管、 2个泵和 2 个阀以及冷却管道, 是一多器件集成系统。
用液氧和乙醇作燃料。
能产生15N 的推力, 推力重量比达 1500∶1, 是大火箭推进器的10～ 100倍, 反映了微系统的潜力。
它可用于微小卫星的引力补偿和位
置保持、姿态控制和轨道控制、作为星际探险的动力装置、提供宇航员出舱活动的载人机动装置(MMU )。
最近美国M IT又提出利用阵列式微型火箭发射微型航天器的设想, 推力重量比比航天飞机主发动机大20 倍。
它涉及的理论和技术基础有微发动机原理、微流动和微传热、微气动力学、微热动力学、在微空腔中的相变和微燃烧、处于边界层的边界效应及多域耦合等。
涉及的技术有微泵、微阀、微管道、密封、耐高温材料等。
M IT 在硅片上制作出涡轮机, 其目标是1 cm直径的发动机产生10W～ 20W 的电力或0. 05 N～0. 1 N 的推力, 最终达到100W。
整个微型涡轮发动机包括一个空气压缩机、涡轮机、燃烧室、燃料控制系统及电启动马达/发电机。
三、当前微型机械发展的特点
1.微型机械加工技术创新
微型机械加工技术是指制作为机械装置的微细加工技术。
微细加工的出现和发展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标志，微细加工对微电子工业而言就是一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模图形的先进制造技术。
目前微型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和体加工工艺，上世纪八十年代中期以后在LIGA加工(微型铸模电镀工艺)、准LIGA加工，超微细加工、微细电火花加工(EDM)、
等离子束加工、电子束加工、快速原型制造(RPM)以及键合技术等微细加工工
艺方面取得相当大的进展。
2.微系统材料研究
这是一个重要的研究课题,包括半导体、金属、陶瓷、聚合物、特种玻璃、
石英和钻石等。
表面性能优的薄膜材料、微致动的功能材料、微系统的光学材
料(如微小激光器材料、用于光谱仪的分光复合材料和用于光波导的聚合物材料等)、微能源材料, 等等。
3.测试技术
包括工艺、材料和结构的各种特征参数测试, 以及器件和系统的动静态特性测试;器件微弱信号和微小物理量的测试技术。
四、微机械学研究方向
微机械学研究正处于起步阶段，虽然近年来国际上陆续有研究报告发表，
但远未形成系统的理论体系和方法，因此微机械学研究的近期目标是：根据微
型机械的发展趋势，针对当前已经出现还将大量出现的微机械设计中具有普遍
性的共性问题，开展具有前瞻性的开拓研究，为微型机电系统研究提供理论依
据和设计参考，并经过长期积累逐步构筑微机械学的理论体系和方法奠基基础。
现阶段微机械学研究方向及其特点概述如下：
1.微构件材料机械性能与力学分析
（1）微构件材料机械性能的实验研究
（2）典型微机械构件的力学分析研究
（3）尺寸效应与表面效应研究
（4）微构件变形行为与环境条件的关系
2.微动力与驱动装置研究
（1）微能源的研究
（2）新型高效微驱动器研究
（3）微型原动力装置研究
3.微机构学与微系统动力研究
（1）微机构创新设计与仿真
（2）微型机电系统组合原理研究
（3）微型机电系统的运动精度研究
（4）微型机电系统的动力学研究
4.微流体力学与流体机械研究
（1）微尺度流体力学研究
（2）微型泵、微型阀设计基础研究
（3）微型涡轮机设计基础研究
（4）微型流体（气体或液体）润滑轴承性能与研究设计5.微摩擦的机理与控制研究
（1）微摩擦特性与机理研究
（2）减摩技术与零摩擦研究
（3）微摩擦与主动控制技术研究
（4）微摩擦界面热效应研究
6.粘附、微磨损与表面纳米涂层研究
（1）微接触粘附机理及其抑制研究
（2）微磨损特性与机理研究
（3）表面纳米涂层摩擦学与表面分子工程研究
（4）微型机电系统中带电和磁场作用下摩擦副的损伤与防护研究
五、研究发展战略
综上所述，有关微型机械设计的问题已严重阻碍了微型机电系统的发展，
开展微机械学研究已势在必行。
微型机电系统的研究开发，需要争取国家或企业的重点支持；建立开放式
的研究基地，吸收优秀青年科技人员参与，提倡学科交叉的综合研究，强调设计、制造和应用研究的密切配合，使微型机电系统尽早地在国民经济中发挥实效。
微型机电系统是现代科学学和技术相结合而产生的前沿领域，在学科基础、研究内容与方法等方面都与传统机械学不同。
因此，强调创新研究，鼓励新原
理和新设计的探索是发展本学科的重要特点。
在本学科研究中，传统机械学基于的材料体相物理性能（如粘度、应力、
强度等）以及连续介质力学的理论和分析方法均不尽适用。
微机械学研究的学
科基础涉及表面物理、微观力学、微观材料科学、微电子学等。
综合应用这些
新兴学科是本研究的基础。
在理论分析方面，目前尚无成熟而有效的方法可用，需要在研究中应用微观力学、粒子流体力学以及分子动力学模拟技术，并借鉴
连续介质力学的分析方法进行，逐步探索适合微系统的定量分析方法。
根据微机械学研究现状，当前应以实验研究为主。
微机械学研究的实验测
试技术与传统机械学截然不同，急需创新研制一些用于构件性能研究的实验设备。
目前主要采用的扫描探针显微仪器，纳米硬度仪、表面力仪等可以满足基
础研究中部分需要，还应当进一步根据实际工况专门研制一些微实验仪器装置
和相关的微量测量仪器和微传感器。
此外，用于实际微尺度器件和机构的机械学性能测试与实验装置，目前基
本上是空白,尚有待于自行研制。
参考文献
1.温诗铸，黎明.机械学发展战略研究.北京：清华大学出版社.2003
2.周兆英等.微型机电系统.中国机械工程第11卷第1-2期，2000年2月。