（机械设计及理论专业论文）微型抗磁轴承特性的研究.pdf

s t u d yo nd i a m a g n e t i cb e a r i n g sf o rm e m s d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t yi np a r t i a l f u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo fd o c t o ro fp h i l o s o p h y a u t h o r ：j i e y uc h e n s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g a d v i s o r ：p r o f g u a n gm e n g s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t ys c h o o lo f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y s h a n g h a i ，e r c h i n a m a y , 2 0 0 9 l 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 像在3 日期：2 ，。c 7 年c 月c 7 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密酉 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：酥让气 v 日期：川年坚月( 7 日 指导教师签名：主 日期：o l j f 年5 月j s e l j j心 上海交通大学博士学位论文答辩决议书 姓名 陈杰宇i 学号1 0 0 5 0 2 0 2 l1 11 錾蠢 l 机械设计及理论 指导教师 孟光 l 蔷翥i 2 0 0 9 0 5 0 9i 薹冀 l 机械大楼主楼8 0 1 会议室 论文题目微型抗磁轴承特性的研究 投票表决结果：s sis ( 同意票数实到委员数应到委员数) 答辩结论：晌过口未通过 评语和决议： 陈杰宇同学的博士论文“微型抗磁轴承特性的研究”在国家杰出青年基金项目的支持 下，对微型抗磁轴承的基本特性进行了系统的研究，研究成果具有重要的理论意义和潜在 的应用价值。论文的主要创新点有： 1 研究了微尺度下抗磁轴承的基本磁力特性，分析了结构因素对轴承性能的影响， 为微型抗磁轴承结构的设计提供了理论依据。 2 针对微型抗磁轴承的结构特性，分析了电涡流阻尼在轴承中应用的有效性。 3 研究了微型抗磁轴承转子系统的动力学特性、稳定性及加速特性，揭示了磁 偏心效应对轴承动态特性的影响。 论文论述清晰，结构合理，理论和数据分析严密，结论可靠。论文的综合水平反映出 作者已经掌握了本专业坚实的理论基础和专业知识，具备了较强的独立从事科研工作的能 力。论文答辩思路清晰，回答问题准确。答辩委员会经过讨论，全票通过论文答辩，建议 授予工学博士学位。 2 0 0 9 年5 月9 日 答 辩 委 员 会 成 员 签 名 职务姓名职称 单位签名 主席沈荣瀛 教授上海交通大学 委员王宇晗 教授上海交通大学 委员 李鸿光 教授上海交通大学 委员李爱平教授同济大学机械工程学院 委员恽伟君 教授 振动与冲击编辑部 l 苜( 撅 委员 委员 秘书 董兴建 助理研究员( 自然科学)上海交通大学 案丑 上海交通人学学位论文摘要 微型抗磁轴承特性的研究 摘要 微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 是包含电子元件和其它微型实体( 包 括机械、热、磁、流体、光学、化学、生物元件等) 的集传感器、执行器、信号处理、通信、 接口、控制电路以及电源于一体的系统。典型m e m s 器件的特征尺寸大约在1 1 t m 一1 c m 之间， 这种微型化的特点使得很多在宏观尺度上无法应用的物理原理在微观尺度上找到了实现的可能 性，常温无源式抗磁悬浮就是其中之一 抗磁材料是磁化率为负值的磁性材料，包括金、银、铜、铅，石墨、水、有机化合物等。 根据e a m s h a w 定理，铁磁材料以及顺磁材料之间的作用力不足以独立实现稳定的磁悬浮。若引 入抗磁材料，利用其对外磁场轻微的抵制作用，则可实现常温下的无源稳定磁悬浮抗磁悬浮 原理虽然在一些高精密的科学传感器中有应用，但由于抗磁材料的磁性过于微弱，无法提供足 够的承载力，在轴承中的应用还尚未涉及。根据电磁力的尺度效应分析可知，永磁体磁场梯度 随系统特征尺度的减小而反比增大，由于抗磁效应正比于磁场的梯度，抗磁悬浮得益于m e m s 微小化的特点，可为微机械结构提供简单有效的支撑方法。 微型抗磁轴承的研究涉及到电磁理论、材料科学、工程设计、加工工艺等多个学科，具有丰 富的内涵，为微机电系统轴承的设计提供了一条新思路。本文以建立微型抗磁轴承基本设计理论 体系为目标，主要研究内容包括： ( 1 ) 在抗磁悬浮原理微尺度有效性论证的基础上，研究了适应微系统加工工艺的微型抗磁轴 承基本设计方案，并根据磁场能量理论的计算结果，研究了轴承设计参数对轴承承载力 以及动力学参数的影响，探讨了实现轴承稳定悬浮的条件，提出了微型抗磁轴承优化设 计的方案； ( 2 ) 抗磁轴承的非接触式结构需要非接触式的阻尼减振方式，可行的方案包括气膜阻尼以及 电涡流阻尼。对于电涡流阻尼，本文根据抗磁轴承的结构特性，采用薄板近似模型以及 第1 页 上海交通人学t 学博上学位论文微型抗磁轴承特性的研究 镜像法建立了轴承电涡流的模型，分析了转子轴向、径向以及倾角方向电磁阻尼的特性， 探讨了电涡流阻尼对轴承旋转损耗的影响，通过与气膜阻尼的比较，论证了电涡流阻尼 器在微型抗磁轴承中应用的可行性。 ( 3 ) 在对微型抗磁轴承动力学参数分析的基础上，建立了轴承的转子动力学模型，分析了不 同工况和设计方案下的轴承动力学特性，提出了改进轴承动态稳定性的方案。 ( 4 )针对非理想加工条件引起的抗磁轴承磁偏心进行了研究，探讨了永磁体的不对称磁化以 及抗磁材料磁性不均匀对轴承性能的影响，并分析了轴承的旋转损耗特性。 ( 5 ) 对抗磁轴承的基本振动特性进行实验研究。 微型抗磁轴承适应于m 雕s 准平面加工的特性，与传统的轴承方案相比，抗磁轴承充分利用 了m e m s 微小化的特点，具有方法简单、对工作环境要求低的优点，并可与其它轴承方案结合， 拓展了研究的思路。本论文作为抗磁悬浮原理在微机电系统中应用的初步探索，建立了抗磁轴承 机械性能的基本理论框架，为这种新型方案的设计、优化、驱动方式的选择以及运行策略的拟定 提供了必要的依据。 关键词：抗磁悬浮，m e m s ，轴承，转子动力学 第l i 页 上海交通人学工学博上学付论文 a b s t r a c t s t u d yo nd i a m a g n e t i cb e a r i n g sf o rm e m s a b s t r a c t m i c r o e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) i st h ei n t e g r a t i o no fm e c h a n i c a l e l e m e n t s ，s e n s o r s ，a c t u a t o r sa n de l e c t r o n i c so nac o m m o ns i l i c o ns u b s t r a t et h r o u g ht h e u t i l i z a t i o no fm i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y d u et oi t sd i m i n u t i v ed i m e n s i o n , m a n y p h y s i c a lp h e n o m e n a t h a ta r en e g l i g i b l ea tt h em a c r o s c a l ec o u l df i n dn o v e la p p l i c a t i o n 鹤 s i z es h r i n k sd o w n o n eo ft h ew i n n e r so fm i n i a t u r i z a t i o ni sd i a m a g n e t i cl e v i t a t i o n d i a m a g n e t i s mi sam a g n e t i cp r o p e r t yi n h e r e n tt om a n ym a t e r i a l ss u c ha sw a t e r , p r o t e i n ，s i l v e r , b i s m u t h ，g r a p h i t e ，e t c u n l i k e s t a t e di ne a m s h a w st h e o r e m ，w h i c h e l i m i n a t e st h ep o s s i b i l i t yo fs t a b l el e v i t a t i o no faf e r r o m a g n e t i co rp a r a r n a g n e t i cb o d yi n as t a t i cm a g n e t i cf i e l d ，d i a m a g n e t i cm a t e r i a l sa r er e p e l l e db yt h em a g n e t i cf i e l da n d a t t r a c t e dt ot h el o c a lf i e l dm i n i m u md u et ot h e i rc h a r a c t e r i s t i cn e g a t i v em a g n e t i c s u s c e p t i b i l i t y s i n c el o c a lm i n i m ac a ne x i s ti nt h ef r e es p a c e ，d i a m a g n e t sc o u l dt h u sb e e m p l o y e di nc o m b i n a t i o nw i t ho t h e rm a g n e t i cs o u r c e s ，s u c ha sp e r m a n e n tm a g n e t s ( p m ) ， t oc o n s t r u c tp a s s i v ea n ds t a b l el e v i t a t i o na tr o o mt e m p e r a t u r e ，w i t hp m p r o v i d i n gt h el i f t c a p a c i t yt oc o u n t e r b a l a n c eg r a v i t ya n dd i a m a g n e t i cm a t e r i a l sp r o v i d i n gs t a b i l i t yt ok e e p 1 e v i t a t i o nw i t h i nr e a s o n a b l el i m i t a l t h o u g hs u c hm e c h a n i s mh a sa l r e a d yp r o v e di t sw o r t hf o rs e v e r a lh i g h - p r e c i s i o n s c i e n t i f i cs e n s o r sa n dt h ec l e a nr o o mt r a n s p o r t a t i o n ，i ti so fl i t t l eu s et ob e a r i n gs y s t e m s a tt h em a c r o - s c a l em a i n l yb e c a u s et h ew e a kd i a m a g n e t i ce f f e c to fm a t e r i a l sa v a i l a b l e c u r r e n t l yi sn o tc a p a b l eo fp r o v i d i n ge n o u g hs t a b i l i t ya n db e a r i n gp r e s s u r ef o rm o s t m e c h a n i c a la p p li c a t i o n s a c c o r d i n gt ot h ee l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y , t h em a g n i t u d eo ft h e m a g n e t i cf i e l dm a p p e da r o u n dap m r e m a i n su n c h a n g e da f t e rs i z er e d u c t i o n ，w h i l et h e f i e l dg r a d i e n ts c a l e si n v e r s e l yw i t hc h a r a c t e r i s t i cd i m e n s i o n s t h i sm e a n st h a tf o r i n t e r a c t i o ne l e m e n t si n v o l v i n gm a g n e t sa n ds o f tm a g n e t i cm a t e r i a l s ，f o rw h i c ht h e v o l u m i cf o r c e a c t i n g o ne a c hp a r t i c l ei sg o v e r n e db yt h er e l a t i o no f b i v b i ，t h e 第l l l 页 上海交通人学工学博上学f 论文微型抗磁轴承特性的研究 f o r c e - t o - v o l u m er a t i oi m p r o v e ss t r o n g l ya ss c a l es h r i n k sd o w na n dt h e r e f o r ed i a m a g n e t i c m a t e r i a lc o u l db eu t i l i z e dw i t hp mt oc o n s t r u c ts i m p l eb e a r i n gs o l u t i o nf o rm e m s e n g i n e e r i n go fd i a m a g n e t i cb e a r i n g sr e q u i r e sac o m p l e xm i xo fd i s c i p l i n e s ，i n c l u d i n g e l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y , k i n e t i c s ，m a t e r i a ls c i e n c e ，d e s i g nt h e o r ya n de t c t h eo b j e c t i v eo f t h i st h e s i si st os t u d yi t sb a s i cc h a r a c t e r i s t i c ss oa st og a i nas y s t e m a t i cu n d e r s t a n d i n go f s u c han o v e lb e a r i n gm e c h a n i s m t h em a j o rc o n t e n ti n c l u d e s ： ( 1 ) b a s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y , t h em i c r o - s c a l ee f f e c t i v e n e s so fd i a m a g n e t i c l e v i t a t i o ni sd e m o n s t r a t e da n dt h em a g n e t o m e c h a n i c a li n t e r a c t i o ni nt e r m so f l o a d - c a r r y i n gc a p a c i t y a n dt h er e s t o r i n gi nt h ea x i a l ，l a t e r a la n di n c l i n a t i o n d i r e c t i o n sa r ee v a l u a t e d ( 2 ) t h ee d d yc u r r e n te f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo fd i a m a g n e t i cb e a r i n gi si n v e s t i g a t e d d u et ot h eg o o de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fs o m eo fd i a m a g n e t i cm a t e r i a l so rt h e i n t e n t i o n a l l yi n t r o d u c e de d d yc u r r e n td a m p e rf o rv i b r a t i o nc o n t r o l ，e d d yc u r r e n t c o u l db ei n d u c e di nt h ed i a m a g n e t i cb e a r i n gw i t hv i s c o u sf o r c eo p p o s i n gt h e r e l a t i v em o t i o nb e t w e e nt h er o t o ra n dt h es t a t o r s u c hd a m p i n gm e c h a n i s mi s a n a l y z e dw i t hat h i ns h e e tm o d e la n dt h ei m a g em e t h o da n dc o m p a r e dw i t ht h a t d u et oa e r o d y n a m i ce f f e c t ss o a st o g i v ea n i d e ao fi t s s i g n i f i c a n c e a tt h e m i c r o - s c a l e ( 3 ) b a s e do nt h ed e r i v e dd y n a m i cc o e f f i c i e n t s ，l i n e a rv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d n o n l i n e a rp a r a m e t r i cr e s o n a n c eo ft h er o t o r - b e a r i n gs y s t e ma r es t u d i e d r e s u l t s o b t a i n e di n d i c a t et h a tt h e r ea r et w om a j o ri n s t a b i l i t yp r o b l e m sf o rd i a m a g n e t i c b e a r i n g s ( 4 ) d u et ot h em a l m a n u f a c t u r i n go ft h eb e a r i n g ，m a g n e t i ca s y m m e t r yc o u l do c c u r e i t h e ro nt h ep mp a no rt h ed i a m a g n e t i cp a r t t h ei m p a c to fs u c hn o n i d e a l w o r k i n gc o n d i t i o no nt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb e a r i n gi si n v e s t i g a t e d t h er o t a t i o n a l l o s si n d u c e dt h e r e b yi sa l s os t u d i e dt os h o wt h ea c c e l e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e b e a r i n g ( 5 ) b a s i cv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb e a r i n ga r ea s s e s s e de x p e r i m e n t a l l y c o m p a r e dt oo t h e rb e a r i n gm e c h a n i s m sf o rm i c r o s y s t e m s ，d i a m a g n e t i ca p p r o a c hh a s t h ea d v a n t a g eo fb e i n gc o m p l e t e l yp a s s i v e ，h e r e b ye l i m i n a t i n gt h ed e s i g na n do p e r a t i o n a l c o s ta s s o c i a t e dw i t ha c t i v ee l e c t r o m a g n e t i co re l e c t r o s t a t i ca p p r o a c h e s ；a n di ti sm o r e 第1 v 页 一 上海交通人学t 学博l j 学仲论文 a b s t r a c t c o m p a c ti nc o n f i g u r a t i o na sc o m p a r e dt oa i rb e a d n g s ，w h i c hr e q u i r ec o n n e c t i o nt ot h e e x t e r n a ls o u r c eo fp r e s s u r i z e dg a s t h i st h e s i sr e p r e s e n t saf i r s ts t e pt o w a r d sas y s t e m a t i c u n d e r s t a n d i n go fap o t e n t i a l yi n t e r e s t i n ga p p l i c a t i o n o fm a g n e t i cb e a r i n g s ，a n dt h e f i n d i n g sh e r e i nw o u l dp a v e t h ew a yf o rf u r t h e re x t e n s i v es t u d y k e y w o r d s ：d i a m a g n e t i cl e v i t a t i o n ，m e m s ，b e a r i n g ，r o t o r d y n a m i c s 第v 页 上海交通人学工学博_ 上- 学仲论文目录 目录 中文摘要i 英文摘要 目录 第l 章绪论1 1 1 引言1 1 2 微机电系统轴承的研究现状5 1 2 1 微型干摩擦轴承5 1 2 2 微型气体轴承6 1 2 3 微型电磁轴承9 1 2 4 微型静电轴承1 0 1 3 电磁力的尺度效应1 0 1 4 无源式抗磁轴承1 4 1 4 1 无源式抗磁悬浮的基本原理1 4 1 4 2 抗磁轴承的发展历史及研究现状1 5 1 5 微型永磁体1 6 1 5 1 磁性材料的磁化1 6 1 5 2 强磁材料1 8 1 5 3 永磁体薄膜的制备工艺1 9 1 6 本文的研究意义和研究内容2 3 第2 章微型抗磁轴承承载力和刚度的基本特性2 5 2 1 引言2 5 2 2 轴承的基本结构2 5 2 3 轴承的磁力模型2 7 2 3 1 永磁体磁场分析2 7 2 3 2 抗磁体一永磁体相互作用力分析2 9 2 4 轴承承载力特性3 l 2 4 1 特征尺度对承载力的影响3 1 第v i i 页 上海交通人学工学博上学佗论文微掣抗磁轴承犄件的研究 2 4 2 磁极数对承载力的影响3 2 2 4 3 永磁体磁膜厚度对承载力的影响3 5 2 4 4 轴承间隙对承载力的影响3 6 2 4 5 永磁定子的退磁场和磁化状态3 7 2 5 轴承的刚度特性4 2 2 6 本章小结4 4 第3 章微型抗磁轴承中的电涡流阻尼4 5 3 1 引言4 5 3 2 电涡流4 5 3 2 1 电涡流和电磁阻尼4 5 3 2 2 电涡流的趋肤效应4 6 3 3 电涡流阻尼的数学模型4 8 3 3 1 导体中电涡流分布的控制方程及边界条件4 8 3 3 2 镜像法5 2 3 4 电涡流阻尼效应特性分析5 4 3 4 1 电磁阻尼与压膜阻尼的比较5 6 3 4 2 旋转电磁阻尼6 0 3 4 3 由转子涡动引起的旋转损耗6 l 3 5 本章小结6 2 第4 章微型抗磁轴承一转子系统动力学特性6 3 4 1 引言6 3 4 2 轴承一转子系统线性动力学特性分析6 3 4 2 1 轴承线性动力学模型6 3 4 2 2 轴承轴向振动特性6 4 4 2 3 轴承径向和倾角方向振动特性6 5 4 3 轴承一转子系统的参数共振6 8 4 4 本章小结6 9 第5 章磁偏心效应对微型抗磁轴承系统性能的影响7 l 5 1 永磁环磁化不对称对轴承性能的影响7 1 5 2 磁性不对称抗磁转子对轴承性能的影响7 3 5 2 1 不对称转子系统的动力学模型7 3 5 2 2 不对称转子系统的自由振动及固有频率7 5 5 2 3 不对称转子系统的强迫振动8 l 第v l l l 页 上海交通人学工学博j j 学伊论文 f 1 录 5 4 本章小结8 3 第6 章实验研究8 5 6 1 引言8 5 6 2 实验内容与实验内容8 5 6 3 实验结果与分析8 7 6 5 本章小结9 l 第7 章总结与展望9 3 7 1 全文工作总结9 3 7 2 全文工作总结9 4 7 3 研究展望9 5 参考文献9 7 致谢1 0 5 攻读博士学位期间发表的学术论文1 0 6 第1 x 页 上海交通人学t 学博f j 学伊论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 是包含电子元件和其它微 型实体( 包括机械、热、磁、流体、光学、化学、生物元件等) 的集传感器、执行 器、信号处理、通信、接口、控制电路以及电源于一体的系统。m e m s 脱胎于上世 纪六十年代兴起的集成电路制造技术，并在此基础上发展成为独具特色的新研究领 域和工业。随着技术的不断进步，应用于m e m s 的材料也越来越多，从最早期由半 导体制造工艺继承而来的单晶硅、多晶硅、硅的氧化物、氮化物到现在的塑料、玻 璃、陶瓷、金属化合物、形状记忆合金、磁性材料、聚合物材料、压电晶体等，m e m s 材料的发展已经超越了传统的i c 领域。 与此同时，相应的制造工艺也取得长足的进步。大体而言，m e m s 加工工艺可 以分为表面微机械加工技术、体微机械加工技术以及l i g a 技术。表面微机械加工 技术是在薄膜逐层沉积的基础上，利用光刻、腐蚀等工艺制备微结构；体微机械加 工技术则是通过腐蚀法去除部分衬底材料来产生微结构。由于腐蚀技术精度有限， 难以制备大纵横比的复杂结构，以键合技术为代表的多种新工艺应运而生，为三维 构件的制备提供了方便、快捷的手段，成为体微机械加工技术发展的重要方向。另 一种较为广泛应用的微机械加工工艺是利用x 射线光刻、电铸成型和塑料铸模等手 段进行操作的非硅基l i g a 技术。利用l i g a 技术可以加工出较大纵横比的微结构产 品，而且具有j n ：i ：温度低的优点。但昂贵的x 射线源( 同步回旋加速器) 以及复杂 的掩膜工艺限制了它的广泛应用。因此，不需要同步辐射x 射线的准l i g a 技术成 为这一领域内的发展热点。 由于m e m s 中含有尺寸在微米级的精密元件，因此需要对其进行封装来避免由 环境破坏产生的器件损坏。目前m e m s 的封装技术尚处于发展初期，它不像i c 封 装那样有相对统一的标准、外形尺寸、封装结构以及工艺规范。大多数m e m s 封装 是面向特定应用的，因此，几乎不可能建立一个统一的封装标准，而且这种细化的 市场往往提高了封装的成本，在某些情况下封装费用甚至比内部芯片要贵得多。更 严重的是有时封装本身就会引起器件失效，所以在m e m s 的研发过程中，封装技术 是一个关键的因素，同时也是微机电系统工业面临的一个主要挑战。有些m e m s 像 第l 页 上海交逋人学工学博i j 学付论文微型抗磁轴，r 特性的研究 普通i c 芯片一样可以在预设的空气里进行封装，如微加速度计等；而有些m e m s 为了减小气体的阻尼效应以及避免融入热传导介质，则需要在真空里进行封装，如 非冷却红外线传感器阵列等；用于测量环境影响的传感器需要以某种方式与环境接 触，但同时又要避免精密元件受环境的破坏，如压力传感器就需要适合的封装来传 送压力，而不是湿度以及化学反应。目前比较常用的封装技术有真空封装、高压静 电封装、多芯片封装、低温硅直接键合、单体封装、混合集成式封装、阻尼控制封 装、保护涂层封装以及全片钝化封装等。 1 9 8 4 年，p e t e r s o n 发表了一篇影响深远的论文“s i l i c o na sam e c h a n i c a lm a t e r i a l ” 【l 】，介绍了利用硅基材料单片集成制造电子元件以及机械元件的技术以及潜在发展 应用前景。此后，m e m s 的科学研究和产业发展进入快车道，各国政府和私人机构 相继设立研究基金，一些公司前期研发的投入开始有了产出，各种新颖的m e m s 器 件陆续诞生，并且实现了不同程度的工业化。m e m s 研究领域丰富多样，就功能而 言，大体可分为传感器、致动器以及系统部件三种。其中，传感器的发展相对成熟， 应用也较为广泛：而致动器的发展主要受驱动力力矩过小以及表面摩擦损耗的制约。 目前m e m s 的应用主要形成了几类分支，表1 1 总结了这几类分支的关键技术驱动。 表1 1 所示的m e m s 器件有些已经产品化，有些还处于原型开发阶段，它反映 研究领域技术驱动 微惯性器件高灵敏度、低噪声 可插入狭小空间。产生新的应用 数字微镜阵列微镜的数量大、密度高，更高的像素填充因子 对比度、色彩平衡的长期稳定性好 光m e m s机械、电子、光单片集成 独特的空间和波长可调性 高效率的光装配和改进的对准精度 生物m e m s小型化( 创伤小，与生物体的尺寸匹配) 物理尺寸小。与医疗器件多功能集成 微流控芯片 ( l a b o n - c h i ps y s t e m ) 减少样品、试剂用量以及相应的成本 并行和组合分析的可能性 小型化、自动化、便携式 r fm e m s 在微波频率具有优异的隔离度和较低的直流损耗 接近完美的线性特性 表1 1m e m s 技术的典型应用 t a b l e1 - 1t y p i c a la p p l i c a t i o n so fm e m st e c h n o l o g y 第2 页 上海爻逋人学工学博上学何论文第l 苹绪论 了一个产品覆盖面广阔同时又高度细分的发展结构。虽然技术进步和商业化的原因 有时候不尽相同，但是目前成功的m e m s 器件基本上具有以下几个特点： ( 1 ) 小型化 典型m e m s 器件的尺寸大约在l g m 一1 c m 之间。当然，m e m s 阵列或整个m e m s 系统的尺寸会大一些。小尺寸能够实现柔性支撑，并使系统具有高谐振频率、低热 惯性等很多优点，适用于传统器件无法实现的领域，如神经探针阵列等，或可作为 探索微观世界的工具，如扫描隧道显微镜等。 ( 2 ) 集成化 m e m s 另一特点就是可以将机械( 或生物化学) 传感器和执行器与处理电路和 控制电路同时集成在同一块芯片上。这种集成形式称为单片集成，即应用整片衬底 的加工流程将不同部件集成在单片衬底上单片集成利用光刻技术来确保器件的尺 寸和元件位置的精确度，不包含机器拾取或人工装配等组装方法。这种集成方式使 很多m e m s 传感器具有重要的商业化优点，例如，对于汽车的加速度传感器而言， 单片集成减小了信号传输的距离和噪声，使系统信号质量与传统机械传感器相比有 大幅提升。然而，并不是所有m e m s 器件都适合采用单片集成的方式，还需要综合 其它方面的因素，如系统的复杂性、成本、灵活性等， ( 3 ) 高精度的批量制造 现代光刻技术可以很好地定义结构，整片工艺的一致性好，批量制造的重复性 也非常出色，因此，m e m s 加工技术可以高精度、高效率、甚至低成本地加工二维、 三维的微结构。 ， m e m s 经过三十几年的积累和发展，虽然涌现出大量的技术创新以及新颖的器 件设计，但还远远没有达到九十年代学界和工业界的普遍预期，与具有深远社会影 响力的i c 技术相比更是难望其项背。m e m s 的发展还面临着一系列巨大的挑战，总 体而言，主要有以下几项： ( 1 ) 理论基础 在当前m e m s 所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由 于尺寸缩小带来的影响，许多物理现象与宏观世界有很大的区别，因此许多原有的 理论基础都会发生变化。力的尺度效应和表面效应说明，宏观领域内作用微小的力 和现象，在微观领域则可能起到举足轻重的作用。在微观领域，与特征尺寸三的高 次方成比例的惯性力的作用将相对减小( 高频响应除外) ，而与三的低次方成比例的 粘性力、表面张力、静电力等的作用则相对增大。随着尺度的减小，表面积( r ) 与体积( r ) 之比逐渐增大，与表面积相关的效应( 包括热传导、化学反应、运动 第3 页 上海交通人学工学博l ! 学伸论文微型抗磁轴承特性的研究 副之间的摩擦粘滞力等) 也逐渐凸显出来。因此，有必要对微动力学、微流体力学、 微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学等进行深入的研究。 ( 2 ) 技术基础 从真正的意义上讲，m e m s 是一个统一的“系统”。所要解决的系统问题包括设 计与仿真技术、材料与加工技术、封装与装配技术、集成与系统技术等。与i c 技术 相比，m e m s 不仅是多学科交叉的新领域，而且涵盖了更多的材料和工艺，具有丰 富多样的可能性，为有志于进入这一领域的研究人员和创业者提供了宽广的机会； 但另一方面，分散化的模式往往会使发展的脚步放慢。因此，一方面可以借鉴i c 产 业的发展经验，如工业标准和统一接口等，从而能够集中优势力量重点攻关；另一 方面还需平衡标准化的影响，以免过分限制m e m s 自身的特点和发展潜力。 此外，在m e m s 的发展过程中，还需平衡知识产权和整体技术进步之间的关系。 如前文提到的，封装工艺往往是整个m e m s 制造流程中最昂贵的环节，决定器件的 成败，但在整个m e m s 相关的出版物以及会议中，用来介绍封装技术发展近况的文 献则是少之又少。并不是封装技术没有足够的知识含量和工程挑战性，而是由于它 从本质上说是属于产业领域，对大学研究人员而言，由于缺乏大量生产设备以及制 造级别的封装修正工具，很难参与到该问题真正的知识核心；另外，由于封装的成 功与否往往决定整个生产线的商业成败，厂商通常将其视为自身的核心竞争力，对 具体的细节进行严格的保密，产业界的出版物也趋向于泛泛描述。诸如此类的难题 不一而足，如何平衡m e m s 发展过程中各技术推动力之间的关系是学界和产业界共 同面临的挑战。 ( 3 ) 应用研究 研究m e m s 技术的最终目的是为了应用，而m e m s 自身的发展也是由潜在的 应用驱动的。早期人们对这一领域的兴趣，主要是由元件的小型化触发的，但这只 能创造一时的技术兴奋，不能实现革命性的、有深远影响力的社会效应。一方面， m e m s 的研究和开发需要大量人力和财力的投入，因此，要获得市场的认可，必须 在性能或成本上比现有的技术更有优势。另一方面，在微小化的过程中，整个物理 基础会有很大的变化，原本在宏观尺度上性能优异的工作原理在微观尺度上可能无 法使用；而原本在宏观尺度上可以忽略的现象在微观尺度上可能具有重要的作用。 因此，更具可行性的思路或许是充分利用微观尺度特有的物理和化学现象，开发出 功能新颖的产品，使m e m s 不仅仅是宏观世界的镜像，更是人类充分利用和认识微 观世界的工具。 早在1 9 5 9 年，r f e y n m a n 教授就在半导体晶体管技术的启发下，构想出m e m s 系统的原始雏形，并指出“t h e r ei sp l e n t yr o o ma tt h eb o t t o m ”。五十年过去了，m e m s 第4 页 上海交通人学工宁博上学伊论文第1 苹研论 技术从当初的构想发展成今天