微型機(jī)械淺論(機(jī)械原理)

1、機(jī)械原理論文學(xué) 院：機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)：機(jī)電xxx姓 名：xxx學(xué) 號(hào)：xxx微型機(jī)械淺論專業(yè)班級(jí)：機(jī)電xxx 姓名：xxx 學(xué)號(hào)：xxx一、微型機(jī)械概述1.背景科學(xué)技術(shù)向微小領(lǐng)域發(fā)展, 由毫米級(jí)、微米級(jí)繼而涉足納米級(jí), 人們把這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)稱之為微米/納米技術(shù)。微米/納米技術(shù)使人類在認(rèn)識(shí)和改造自然方面進(jìn)入一個(gè)新的層次, 開(kāi)發(fā)物質(zhì)潛在的信息和結(jié)構(gòu)能力, 使單位體積信息處理和運(yùn)動(dòng)控制的能力實(shí)現(xiàn)又一次飛躍。將在信息、材料、生物醫(yī)療、航空航天和工業(yè)等方面產(chǎn)生重大影響。1962 年微小器件的先驅(qū)硅微壓力傳感器問(wèn)世, 其主要技術(shù)基礎(chǔ)是硅膜、壓敏電阻和體硅腐蝕工藝。其后用硅加工方法開(kāi)發(fā)出尺寸為5

2、0m 500m的齒輪、齒輪泵、氣動(dòng)輪及連接件等微型機(jī)構(gòu)。1987 年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研制出轉(zhuǎn)子直徑為60m 120m的硅微靜電電機(jī), 主要技術(shù)基礎(chǔ)是犧牲層腐蝕工藝和靜電驅(qū)動(dòng), 顯示用硅微加工方法可以制作三維可動(dòng)的機(jī)電系統(tǒng)。日本通產(chǎn)省自1991 年度開(kāi)始實(shí)施為期10 年、總投資250 億日元“微型機(jī)械技術(shù)”大型研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃。這兩個(gè)舉動(dòng)對(duì)世界的微傳感器、微執(zhí)行器和微系統(tǒng)的發(fā)展有重要影響。雖然第一個(gè)硅平面工藝專利發(fā)表于1952 年,但是直到20 世紀(jì)90 年代初, 才出現(xiàn)用硅平面工藝生產(chǎn)帶有信號(hào)處理電路的微型加速度計(jì)(以AD 公司為代表) , 主要設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是梳狀結(jié)構(gòu)和微電容檢測(cè)電路, 實(shí)現(xiàn)了微

3、小機(jī)械結(jié)構(gòu)與電路的一體化集成。2.定義日本 1988 年使用“微型機(jī)械”一詞, 它是從大機(jī)器到制造小機(jī)器而發(fā)展起來(lái)的。1989 年日本通產(chǎn)省把它用作國(guó)家大型計(jì)劃的名稱。微型機(jī)械側(cè)重于在不大于1 cm3的體積內(nèi)制造復(fù)雜的機(jī)器。一些日本學(xué)者曾大致地這樣劃分: 1mm 10 mm 為小型機(jī)械; 1m1 mm為微型機(jī)械; 將來(lái)有可能借助于生物工程和分子組裝實(shí)現(xiàn)1nm 1m的納米機(jī)械或分子機(jī)械。二、微尺度系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)早期的執(zhí)行器尺度效應(yīng)研究, 建議選用靜電、液壓或氣動(dòng)驅(qū)動(dòng), 例如當(dāng)器件尺寸由R = 1 mm 減小到 r = 1m時(shí), 不同的力或能量等減小的情況當(dāng)特征尺寸達(dá)到微米和納米量級(jí)時(shí), 許多物理

4、現(xiàn)象與宏觀世界有很大差別, 提出了很多新的科學(xué)問(wèn)題, 如尺度效應(yīng)、熱傳導(dǎo)、微流體特性、微光學(xué)特性、微構(gòu)件材料性能、微結(jié)構(gòu)表面效應(yīng)和微觀摩擦機(jī)理, 等等, 有人稱之為微科學(xué)。要發(fā)掘和利用微小尺度現(xiàn)象的潛能, 才有高層次的創(chuàng)新。新概念的微型雙組元火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是微動(dòng)力系統(tǒng)PowerMEMS 的一個(gè)范例。它由5-6 片芯片疊在一起, 共3 mm 厚, 內(nèi)有混合燃燒室、噴口噴管、 2個(gè)泵和 2 個(gè)閥以及冷卻管道, 是一多器件集成系統(tǒng)。用液氧和乙醇作燃料。能產(chǎn)生15N 的推力, 推力重量比達(dá) 15001, 是大火箭推進(jìn)器的10 100倍, 反映了微系統(tǒng)的潛力。它可用于微小衛(wèi)星的引力補(bǔ)償和位置保持、姿態(tài)控制和

5、軌道控制、作為星際探險(xiǎn)的動(dòng)力裝置、提供宇航員出艙活動(dòng)的載人機(jī)動(dòng)裝置(MMU )。最近美國(guó)M IT又提出利用陣列式微型火箭發(fā)射微型航天器的設(shè)想, 推力重量比比航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)大20 倍。它涉及的理論和技術(shù)基礎(chǔ)有微發(fā)動(dòng)機(jī)原理、微流動(dòng)和微傳熱、微氣動(dòng)力學(xué)、微熱動(dòng)力學(xué)、在微空腔中的相變和微燃燒、處于邊界層的邊界效應(yīng)及多域耦合等。涉及的技術(shù)有微泵、微閥、微管道、密封、耐高溫材料等。M IT 在硅片上制作出渦輪機(jī), 其目標(biāo)是1 cm直徑的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生10W 20W 的電力或0. 05 N0. 1 N 的推力, 最終達(dá)到100W。整個(gè)微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括一個(gè)空氣壓縮機(jī)、渦輪機(jī)、燃燒室、燃料控制系統(tǒng)及電啟動(dòng)馬達(dá)/

6、發(fā)電機(jī)。三、當(dāng)前微型機(jī)械發(fā)展的特點(diǎn)1.微型機(jī)械加工技術(shù)創(chuàng)新微型機(jī)械加工技術(shù)是指制作為機(jī)械裝置的微細(xì)加工技術(shù)。微細(xì)加工的出現(xiàn)和發(fā)展早是與大規(guī)模集成電路密切相關(guān)的，集成電路要求在微小面積的半導(dǎo)體上能容納更多的電子元件，以形成功能復(fù)雜而完善的電路。電路微細(xì)圖案中的最小線條寬度是提高集成電路集成度的關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)志，微細(xì)加工對(duì)微電子工業(yè)而言就是一種加工尺度從微米到納米量級(jí)的制造微小尺寸元器件或薄模圖形的先進(jìn)制造技術(shù)。目前微型加工技術(shù)主要有基于從半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工工藝中發(fā)展起來(lái)的硅平面加工和體加工工藝，上世紀(jì)八十年代中期以后在LIGA加工(微型鑄模電鍍工藝)、準(zhǔn)LIGA加工，超微細(xì)加工、微細(xì)電火花加工(

7、EDM)、等離子束加工、電子束加工、快速原型制造(RPM)以及鍵合技術(shù)等微細(xì)加工工藝方面取得相當(dāng)大的進(jìn)展。   2.微系統(tǒng)材料研究這是一個(gè)重要的研究課題,包括半導(dǎo)體、金屬、陶瓷、聚合物、特種玻璃、石英和鉆石等。表面性能優(yōu)的薄膜材料、微致動(dòng)的功能材料、微系統(tǒng)的光學(xué)材料(如微小激光器材料、用于光譜儀的分光復(fù)合材料和用于光波導(dǎo)的聚合物材料等)、微能源材料, 等等。3.測(cè)試技術(shù)包括工藝、材料和結(jié)構(gòu)的各種特征參數(shù)測(cè)試, 以及器件和系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性測(cè)試;器件微弱信號(hào)和微小物理量的測(cè)試技術(shù)。四、微機(jī)械學(xué)研究方向 微機(jī)械學(xué)研究正處于起步階段，雖然近年來(lái)國(guó)際上陸續(xù)有研究報(bào)告發(fā)表，但遠(yuǎn)未形成系

8、統(tǒng)的理論體系和方法，因此微機(jī)械學(xué)研究的近期目標(biāo)是：根據(jù)微型機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)還將大量出現(xiàn)的微機(jī)械設(shè)計(jì)中具有普遍性的共性問(wèn)題，開(kāi)展具有前瞻性的開(kāi)拓研究，為微型機(jī)電系統(tǒng)研究提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)參考，并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積累逐步構(gòu)筑微機(jī)械學(xué)的理論體系和方法奠基基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段微機(jī)械學(xué)研究方向及其特點(diǎn)概述如下：1.微構(gòu)件材料機(jī)械性能與力學(xué)分析（1）微構(gòu)件材料機(jī)械性能的實(shí)驗(yàn)研究（2）典型微機(jī)械構(gòu)件的力學(xué)分析研究（3）尺寸效應(yīng)與表面效應(yīng)研究（4）微構(gòu)件變形行為與環(huán)境條件的關(guān)系2.微動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)裝置研究（1）微能源的研究（2）新型高效微驅(qū)動(dòng)器研究（3）微型原動(dòng)力裝置研究3.微機(jī)構(gòu)學(xué)與微系統(tǒng)動(dòng)力研究（1）微機(jī)構(gòu)創(chuàng)

9、新設(shè)計(jì)與仿真（2）微型機(jī)電系統(tǒng)組合原理研究（3）微型機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度研究（4）微型機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究4.微流體力學(xué)與流體機(jī)械研究（1）微尺度流體力學(xué)研究（2）微型泵、微型閥設(shè)計(jì)基礎(chǔ)研究（3）微型渦輪機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)研究（4）微型流體（氣體或液體）潤(rùn)滑軸承性能與研究設(shè)計(jì)5.微摩擦的機(jī)理與控制研究（1）微摩擦特性與機(jī)理研究（2）減摩技術(shù)與零摩擦研究（3）微摩擦與主動(dòng)控制技術(shù)研究（4）微摩擦界面熱效應(yīng)研究6.粘附、微磨損與表面納米涂層研究（1）微接觸粘附機(jī)理及其抑制研究（2）微磨損特性與機(jī)理研究（3）表面納米涂層摩擦學(xué)與表面分子工程研究（4）微型機(jī)電系統(tǒng)中帶電和磁場(chǎng)作用下摩擦副的損傷與防護(hù)研究五、研究

10、發(fā)展戰(zhàn)略綜上所述，有關(guān)微型機(jī)械設(shè)計(jì)的問(wèn)題已嚴(yán)重阻礙了微型機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，開(kāi)展微機(jī)械學(xué)研究已勢(shì)在必行。微型機(jī)電系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)，需要爭(zhēng)取國(guó)家或企業(yè)的重點(diǎn)支持；建立開(kāi)放式的研究基地，吸收優(yōu)秀青年科技人員參與，提倡學(xué)科交叉的綜合研究，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用研究的密切配合，使微型機(jī)電系統(tǒng)盡早地在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮實(shí)效。微型機(jī)電系統(tǒng)是現(xiàn)代科學(xué)學(xué)和技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的前沿領(lǐng)域，在學(xué)科基礎(chǔ)、研究?jī)?nèi)容與方法等方面都與傳統(tǒng)機(jī)械學(xué)不同。因此，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新研究，鼓勵(lì)新原理和新設(shè)計(jì)的探索是發(fā)展本學(xué)科的重要特點(diǎn)。在本學(xué)科研究中，傳統(tǒng)機(jī)械學(xué)基于的材料體相物理性能（如粘度、應(yīng)力、強(qiáng)度等）以及連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的理論和分析方法均不盡適用。微機(jī)械學(xué)研究的學(xué)科基礎(chǔ)涉及表面物理、微觀力學(xué)、微觀材料科學(xué)、微電子學(xué)等。綜合應(yīng)用這些新興學(xué)科是本研究的基礎(chǔ)。在理論分析方面，目前尚無(wú)成熟而有效的方法可用，需要在研究中應(yīng)用微觀力學(xué)、粒子流體力學(xué)以及分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)，并借鑒連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的分析方法進(jìn)行，逐步探索適合微系統(tǒng)的定量分析方法。根據(jù)微機(jī)械學(xué)研究現(xiàn)狀，當(dāng)前應(yīng)以實(shí)驗(yàn)研究為主。微機(jī)械學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械學(xué)截然不同，急需創(chuàng)新研制一些用于構(gòu)件性能研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。目前主要采用的掃描探針顯微儀器，納米硬度儀、表面力儀等可以滿足基礎(chǔ)研