微纳米及其加工技术课件.ppt

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1、微纳米及其加工技术武汉理工大学盛步云教授、博导中职国培机械制造与控制专业1微机械系统及其加工称谓：美国：微型电子机械系统（MEMS）日本：微机器欧洲：微系统按尺寸分类：微小型机械：1～10mm微机械：1μm～1mm纳米机械：1nm～1μm现代微机械加工的特征：高宽比达到几十以上几个<=W<=几十个微米几十<=H<=几百个微米2.具有集光、机、电性能于一体的生产器件的潜力微机械的概况--几种典型产品（1）日本丰田公司早已造出长4．8毫米的4轮微型汽车美国斯坦福研究所的微观“人造肌肉”则可利用“扑打”的方法，带动微型飞机飞行美国林肯实验室的燃气轮机只有钮扣般大小，可产生0．64

2、公斤推力麻省理工学院的喷气式发动机，直径只有1厘米，推力为13克，可带动50克重的微型飞机以300公里时速飞行德国的微型直升机有400毫克重，发动机直径1—2毫米，转速高达每分钟4万转瑞典皇家理工学院设计微机械的概况--几种典型产品（2）美国国家航空航天局准备要研制重7磅（3．2公斤）的超微航天探测器广东工业大学与日本筑波大学生物医用微型机器人，一维二维联动压电陶瓷驱动器，位移50umX50um哈尔滨工业大学电致伸缩陶瓷驱动二自由度微型机器人，10umX10um,位移分辨率00.1um微机械的概况--几种典型产品（3）四桨微直升机显微镜下齿轮机构与螨虫的比较日本通产省工业技

3、术院机械工程实验室（MEL）于1996年开发了世界上第一台微型化的机床——微型车床，长32、宽25mm、高30.5mm，重量为100g微机械材料与微型构件硅体材料：单晶硅、多晶硅、二氧化硅、炭化陶瓷、石英、金刚石、记忆合金、压电功能材料：电致伸缩材料、形状记忆材料、永磁材料、受热变相的凝胶材料微机械的应用领域微机械由于具有狭小空间内进行作业而又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航天、精密仪器、材料、生物医疗等领域有着广泛的应用潜力另外，微型机器人不久的将来可能出现在战场上微机器人擅于管道检查维修微组装和微型工厂微型机械在医疗领域的应用脊椎援助机器人生物细胞的典型尺寸为1～1

4、0微米；生物大分子的厚度为纳米量级，长为微米量级。微加工技术制造的器件尺寸也在这范围之内，因而适合于操作生物细胞和生物大分子。另外，临床分析化验和基因分析遗传诊断所需要的各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计都可用MEMS技术制造。微型机械在航空航天领域的应用MEMS在导航、飞行器设计、微型卫星和军事国防等方面都有重要应用。图为一架由EPSON制造的微型直升机。虽然体积极小，但内置了摄像头。由超薄的超音速马达提供动力，最大可负重17克。便携式工厂微机械的一般结构典型的MEMS系统传感器信号处理执行器外部信息微传感器微执行器微型构件微机械光学器件真空微电子器件电力电

5、子器件信号处理的集成电路微机械的设计方法--新的设计概念（1）开发微机械必须建立新的设计概念：尽量设计无摩擦结构，不出现旋转关节，因为所有的旋转关节都有摩擦力（因为微机械尺寸很小，摩擦力超过了其它的力，控制了系统的运动。）在我们身边有很多毫米级的昆虫，它们是开发基于昆虫模型机械的基础。微机械的设计方法--新的设计概念（2）开发微机械必须建立新的设计概念：我们学习昆虫的知识对我们研究微型机械大有好处。昆虫有很多有趣的特征，比如：外部骨骼、弹性关节、伸缩肌肉等。这些特点为我们设计微机械提供了基础。（昆虫只有104－106个神经细胞，它的运动是简单的机械运动，如往复运动。但是为什

6、么这些运动看上去非常协调、灵活，这就是我们研制基于昆虫模型机械的原因。）微机械的设计方法--动力问题微机械的动力问题在微机械领域，由于尺寸及重量的限制，传统的驱动器基本上都无法工作。目前，已经提出的几种典型方案如下：形状记忆合金（SMA）微驱动器DNA驱动超声马达（USM）驱动形状记忆合金（SMA）微驱动器原理：利用合金的相变(热弹性马氏体相变)来进行能量转换的，它可直接实现各种直线运动或曲线运动轨迹，而不需任何机械传动装置。优点：1.形状记忆合金驱动器可做成非常简单的形式2.形状记忆合金制作的驱动器便于实现独立控制3.具有传感功能4.所需的电源电压较低，易与控制电路用的电

7、源一致以简化系统5.工作时不存在外摩擦，无任何噪声，不会产生磨粒缺点：效率较低、疲劳寿命较短微机械的设计方法--SMADNA驱动原理：单股的DNA链是伸直的，但是互补的DNA遇到一起，就会形成双螺旋结构，因此单股的DNA就会缩短。优点：几乎不需要我们另外提供任何能量，它的动力都是自然界自身所提供的绝对纯净的能源。缺点：适用范围有限，只能在液体中工作。微机械的设计方法--DNA驱动超声马达驱动原理：利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转换成超声波范围内的机械振动（频率≥20kHz）来获得驱动力，通过摩擦耦合将驱动力转换成转