机械工程学科前沿调研报告

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1、研究生课程答题本考试科目：机械工程专业前沿讲座授课老师：肖汉斌等年级专业：2013级机械工程考生姓名：沈威学号：1049721302798机械工程学科前沿调研报告——微纳机械的综述沈威（物流工程学院机械工程1308班学号：1049721302798）摘要：微纳机械是在微电子技术的基础上兴起的一个多学科交叉的前沿领域，集约了当今科学技术发展的许多尖端成果，在汽车电子、航空航天、信息通讯、生物医学、自动控制、国防军工等领域应用前景广阔。综述了微纳结构特征的制造工艺进展及趋势。介绍了微纳机械的基础理论研究现状和发展趋势。关键词：微纳机械;基础理论;微纳结构;制造工艺1前言目前，MEMS技术相关的基础

2、理论，设计方法和制作方法的研究相对滞后，长期以来，MEMS设计者大多是通过直接制造原型的方法来验证设汁正确与否，浪费了大量时间和经费，也束缚了MEMS技术的发展规模与速度，因此，加速微型机械设计方法的研究和建立微机械学领域中新的设计理论体系势在必行。2微纳机械学基础理论目前，MESM的研究主要还是依赖经验和反复试探，微纳机械学研究正处在起步阶段，远未形成系统的理论体系，这已经严重地阻碍了MEMS技术的进一步发展。因此，微观尺度下的基础性理论研究显得尤为重要。一方面微纳机电系统涉及广泛的学科融合，从任何单一的学科出发，难于推演出有效的分析方法和实用的设计准则。另一方面，当系统的尺度趋于微米、纳米

3、级时，主导的物理、机械量发生变化，甚至必须考虑新的物理效应，例如，热涨落效应，表面效应、量子效应等[1-2]。同时，由于微纳系统的空间密集性，各种物理现象的耦合作用增强。总体上讲，主要聚焦于考虑尺度效应的力、运动、热传、流体学等问题。2.1微机构及其动力学建模与分析(1)在某些MEMS／NEMS中，虽然也可以发现与常规机电系统零件几何或拓扑相似的构件(微齿轮、微连杆、微气动轮)，但其组装而成的系统在运动学上的表现便可能与宏观世界对应的系统不同。例如，宏观一米的几何特征加工误差可控制到微米级别，即误差仅为特征几何的10-6。这样的误差比率在目前或未来的微纳加工手段中很难达到，因此构件的几何误差或

4、连接间隙对微机构运动学和静力学的影响不容忽视。同时，微尺度下微构件之间的相互物理作用(黏附、摩擦)缩小的几何特征尺度和增高的加工误差比率，对微机构的多体运动学分析和动力学控制建模分析会带来不小的挑战；(2)很多MEMS/NEMS中虽然采用了几何上简单的微梁、微纳薄膜、微流道等结构特征，但系统对外部的传感测量或对外部的作用往往基于复杂的物理效应，如热电效应、电泳效应、磁致效应、压电效应、电感效应、隧道效应、物理状态或几何的记忆效应等。对这些物理效应引发的机械运动或机械运动引发的物理效应的分析涉及到多物理定律支配的耦合问题。对这些耦合问题的建模与分析，也设计MEMS/NEMS的主要理论依据，也可能

5、导致全新物理机理的MEMS/NEMS的诞生；(3)为了实现MEMS/NEMS的复杂机械运动或特殊动力学特性，一方面可以采用多体构件组成的机构获得多个自由度；另一方面则可以通过多位置的物理效应驱动单体构件的几何与拓扑变形引发多自由度的微动。因此，面向运动实现的物理驱动原理的研究与微部件结构设计方法将会是一个研究趋势；还有其他各种化学、生物能驱动的微纳机构实现原理。2.2微纳尺度的摩擦与磨损微尺度对微摩擦和磨损的机理提出了一些特殊的要求，如各种作用力都随着器件尺寸的减小而发生急剧的变化，主导作用发生本质的彼此消长。正比于面积的阻力(如摩擦力、黏性力、表面张力、静电力)与正比与体积的作用力(如惯性力

6、、重力等)相比，增大了几个数量级。(1)对于作为运动阻力的摩擦，由于微机械的能源很小，因此应尽可能降低摩擦能耗，甚至实现零摩擦。另一方面某些微机械也往往利用摩擦作为牵引和驱动力。由于摩擦力是接触界面的积分效应，所以在微尺度下怎样维持接触面处稳定的摩擦力，也就是微摩擦系统的稳定性将是研究的主要内容；(2)大部分表面效应都与温度有关。微尺度下，机械力学化学和电等现象都依赖于热能或被热能所加强。在微滑动摩擦下，输入的摩擦能将产生材料的塑性变形并在摩擦界面处转化为热能。塑性变形的迟滞也导致热能的增加。材料的弹性模量、硬度等机械性能和润滑性能随着摩擦界面的温度升高而蜕化，所以研究将关注表面物理或化学修饰

7、、固体润滑或涂敷等减摩效应；(3)在微尺度下，界面处的相对运动幅度小，而频率高，且微机械表面大都处于分子级光滑接触，摩擦磨损机理将会是全新的。2.3微流体动力学与微传热学微尺度流道中的流体动力学是各种生物芯片(包括微流体芯片、微阵列芯片等)和某些流体驱动(液动或气动)微器件的重要理论基础。(1)微流控系统中流体试样的层流输送、分离和混合的流道结构设计；(2)微流道中流动的边界物理机理分析、实验和数