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机械设计论文微型机械技术及其应用研究班级：学号：姓名：前言微型机械是上世纪80年代末出现的一种微型电气机械(装置、系统或器件)，微型机械的出现，一方面是现代科技发展的需要，另一方面也反映了人类对事物极限本质的认识和追求。微型机械的尺寸以毫米、微米甚至是以纳米计。微机械技术从技术角度来看，它是机、电、磁、光、化学、计算机、自动控制、传感技术与信息处理等多种技术的融合，从产品角度来看，它是利用集成电路微细加工技术或某些特殊功能材料，将机构及其驱动器、控制器、计算机、传感器、电源等集成在一个微小体积范围内发挥机械功能的机电一体化产品，是一个微电子机械系统(MEMS)。到现在微型机械技术已成为在国际上一个十分重要而又非常活跃的学科领域，它将带动各种学科的深入发展和促进新学科的诞生。美国、日本和欧洲等发达国家为了争夺21世纪的高技术市场，以较大的投入从事微型机械的研究与开发。据1999年2月中国机械工程第10期报道，美国平均每年用于微型机械研究与开发的费用约12亿美元， 日本为11亿美元，欧洲为115亿美元。据最新消息， 目前全世界约有600家政府、大学和私人企业所属的实验室在进行微型机械技术的研究和开发。一、微型机械技术微型机械技术包括传感器技术、微型发动机技术、MEMS技术、纳米技术、微电子技术、微组装技术等其中涉及的领域有新材料、机械制造、计算机、微电子、自动化、机器人、医学和国防等领域所以微型机械技术的概念具有综台、整体的涵义。微型机械的发展有赖于微型机械加工技术水平的提高，微型机械加工技术是为微传感器.微执行器.微机构和微系统制作微机械部件和结构的加工技术。常用的微型机械加工技术有以下几种：1、集成电路加工技术这种加工技术是一种平面加工技术，这种技术的刻蚀深度只有数百纳米且只限于制作硅材料的零部件。2、光刻技术这种方法首先在基质材料上涂覆光致抗蚀剂，然后利用极限分辨率极高的能量束通过掩膜对光致蚀层进行曝光或称光刻，显影后，在抗蚀剂层上可获得与掩膜图形相同的极微细几何图形，最后，再利其他方法便可在工件材料上制造出微型结构。3、光刻电铸和准LIGA技术利用A射线光刻与牺牲层技术可在任何种类和数量的材料上形成深层的微结构，准LIGA技术是对LIGA技术的改进,使其更加实用化。4、腐蚀成型技术这种加工技术先将光刻后的硅体用腐蚀剂白蚀，脱去牺牲层而留下加工层，再制作工件并经清洗后得到成品。5、键合技术硅硅直接键合的主要研究方向一是降低键合的温度,二是改进通过硅=硅直接键合形成表面薄的SOI层的技术。二、微型机械的应用领域目前，微型机械已经从研究状态进入了工业化的生产阶段，微机械技术正处于蓬勃发展的时期，随着人们对微型及微组件使用的要求越来越高，微型机械应用于越来越多的方面。特别是微电系统的一些初级产品，如硅压力传感器、硅微机械加速度传感器已逐步进人产业化。微机械产品大约90%以上属于非活动部件，主要应用各种微传感器; 10%是活动部件，可作为执行机构由于微机械主要基于集成电路制作方法，批量大，成本也就低，可以作为一次性使用，无需备件与维修，预测未来将广泛应用于医学、航天航空、农业、工业以及家庭服务各方面。1、医疗方面微型机械在医疗中的应用令人惊叹。医用内诊镜已经做到05毫米直径主要由记忆金属和檄电子器件做成，可以进行温度和电子控制对病人进行内窥检查和治疗。一种在日本研究的保健和监测器械，大小如手表带在手腕上可以进行血压、脉搏和其他生命信号的监测，还可对病人进行缓释的注射治疗，必要时发布信息给社会保健或急救中心的网络控制系统。一种微型传感器可以通过口服或皮下注射法送入人体，对体内的五脏六腑进行直接有效的监测。一种特制的微型机器人送人人体，可刮去导致心脏病的油脂沉积物，除去体内的胆固醇，可探测和清除人体内的癌细胞，进行视网膜开刀时，大夫可将遥控机人放人眼球内，在眼球运动条件下进行高难度手术。除此以外，在细胞操作、细胞融合，精细外科，血管、肠道内自动送药等方面应用甚广，所以微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨大，为人类最终征服各种绝症和延长寿命带来了希望。2、在宇航方面可用全集成气相色谱微系统散布在广漠的太空中，进行星际物质和生命起源的探测。将特制微型机器人送到某星球上，在星球上飞行，所载摄像系统即能协助轨道器画出星球的地形地貌图。航天领域应用微机械的目标是研制微小卫星和微小飞行器。3、军事方面将微齿轮制的“强链”微机械用于核武器安全装置，可避免核武器由雷击引起的事故。美国正在研制一种尺寸比蚊子还小的微型飞机，在飞机双翼的毫米面积上镀上一层磁性镍，当它处于一个交变的电磁场中时，就会舞动双翼，真正地飞起来。据报这种微型飞机已经可以飞行一英寸的距离。有专家预言，一旦这种飞机研制成功，在未来的战争中将派上用场。未来战争的胜负在某种意义上也许将不是取决于作战双方航母飞机坦克大炮而是由形如苍蝇黄蜂蚂蚁等微型航空器来主宰，这些微型武器直接进入敌方指挥机关雷达站弹药库等要害部位摧毁弹药库、破坏指挥通讯系统，飞机坦克和大炮由于得不到指挥和弹药能源的补给还未来得及运用战争就失败了。最近麻省理工学院的阿兰爱普斯在科技期刊美国宇航上撰文就微型机械的作战设想作了展望，有了全球定位系统的制导微型机械可深入敌人腹地，在桥梁的关键点着落每架微航器就是一枚炸弹，一旦接到指令便立即响应爆炸，一些军事战略家预计安装了微型照相机的侦察蝇可执行侦察任务，窃听战术信息，反馈敌军阵地的实时视频信息，而铝合金机器蝇由于体积太小雷达荧屏无法探测它们会聚。4、微机器人微机器人是微型机械发展的主要方向!但只有在微传感器+微执行器+微控制器和微机械元件等微型机械技术较为成熟后才能取得决定性的突破。微机器人是微机械技术最典型也是最广泛的应用。例如在工业中可用大量一次性微机器人去清除锈蚀，检查和维修高压容器的焊缝。现在日本Seiko公司已经研制出的“Yamakoski Ichro”机器人，外形微小，只有8.6mmX .3mmX7 . 2m m，但却可在狭小的空间内，细小的管道内行走、作业和维修，用途广泛。科学家Hisayuki Aoyama还研制了一种机器人，可用于救援，当发生地震或者塌方等灾难时，人们经常会被埋在瓦砾堆中，而由于瓦砾堆留的缝隙不足以我们进入进行生命的探寻与救援，所以一种体积微小的机器人是非常必要的，这种微型机器人可以代替我们人类进入瓦砾当中寻找生命的迹象，是被困者被救出并生存的几率大大增加。美国研制出一种象百足虫一样的智能微型机器人，可以进人发电厂或化工厂的细小管道中，去寻找管道的裂缝。5、其他领域在超大规模集成电路制造中，可用微真空操作器、微定位器等来提高兆级VLSI的加工精度和水平; 在航母和汽车、坦克的前部装上微机械远红外导航仪，就能早期发现目标和前方障碍。美国德州仪器公司1996年在一片i6厘米见方的芯片上蚀刻出50万个16微米见方的铝镜子，每个镜子可在集成电路控制下单独处于开关状态，反射彩色光在大型屏幕上。目前这一技术已在大型屏幕电视中应用，投放市场。近些年，微型机械有了很大的发展，微型机械应用于几乎每个领域，但微型机械仍然存在很多问题。例如，当机械元件缩得愈来愈小时可以想象离心力等因素就愈发变得不那么重要，但这种尺寸效应使得另外一些因素变得越来越突出。因此对微型机械的研究必须冲破传统思想束缚，注重研究方法的革新，应不断综合各种物理的化学的生物的现象和其他学科的研究成果，把它们综合运用到微型机械的加工技术研究之中，不断开发出新的加工技术。应特别重视将宏观世界中的设计思想加工技术制作手段借鉴并移植到微型机械领域内，沟通宏观与微观之间的联系，为微型机械加工技术的改善与提高提供帮助。由于我国微型机械技术起步晚，研究深度广度和规模及技术水平等与先进国家相比尚存差距，所以我国要积极发展微型机械技术，在不断借鉴国外先进技术的基础上发展自己的技术，是我国的技术水平不断进步，最终达到世界先进水平。参考文献：题名:Micro Hopping Robots for Rescue Operation. Location of the Distributed Tiny Robots Under the Collapsed Building作者:Kato, Yoshiyuki;Aoyama, Hisayuki;机构:APPLED MICROSYSTEMS CORP TOKYO (JAPAN);注释:Final report 31 Mar 2006-30 Mar 2008出版日期:2008 31 Jul题名:Biologically-Inspired Microrobots. Volume 3. Micro-Robot Based on Abstracted Biological Principles 作者:Horchler, Andrew;Morrey, Jeremy;Ritzmann, Roy EQuinn, Roger D; 机构:CASE WESTERN RESERVE UNIV CLEVELAND OH;题名:Development of a reversible machining method for fabrication of microstructures by using micro-EDM 作者: Zilong Peng，Zhenlong Wang，Yinghuai Dong and Hui Chen题名：Micro Engineering 作者：L. Alting, F. Kimura, H.N. Hansen and G. Bissacco 题名：Recent development in micro-handling systems for micro-manufacturing 作者：A.J. Sanchez-Salmeron, R. Lopez-Tarazon，R. Guzman-Diana，and C. Ricolfe-Viala题名：Development of a micro-punching machine and study on the influence of vibration machining in micro-EDM作者：Gwo-Li