纳米科技概论(6)20140402(纳米机械学)

1、纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）纳米科学技术概论纳米科学技术概论主讲教师：杨辉、郭兴忠主讲教师：杨辉、郭兴忠纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）纳米机械学纳米机械学一、纳米机械学基础一、纳米机械学基础二、纳米级精密测量技术二、纳米级精密测量技术三、微机械三、微机械/微型机电系统与制造技术微型机电系统与制造技术四、纳米摩擦学四、纳米摩擦学（自学）（自学）五、纳米机械学研究进展五、纳米机械学研究进展（自学）（自学）纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学

2、期）一、纳米机械学基础（一、纳米机械学基础（1）n1、序言、序言n2、微机械的发展历程、微机械的发展历程n3、纳米机械学概念与内容、纳米机械学概念与内容纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）一、纳米机械学基础（一、纳米机械学基础（2）n1、序言、序言n1）20世纪制造业与国家发展的关系世纪制造业与国家发展的关系nA、20世纪是制造业大发展的世纪世纪是制造业大发展的世纪n先进制造技术（先进制造技术（AMT）：）：半导体、材料与器件、大规模集成半导体、材料与器件、大规模集成电路与芯片、信息与电子、生物技术；电路与芯片、信息与电子、生物技术；n先进产品

3、：先进产品：汽车、机床、飞机、火箭、舰船、计算机、电视汽车、机床、飞机、火箭、舰船、计算机、电视机、移动通讯设备、信用卡、机器人；机、移动通讯设备、信用卡、机器人；nB、制造业是国家发展和安全的基石。、制造业是国家发展和安全的基石。n制造业与国家发展的关系：制造业与国家发展的关系：20世纪抓住制造业发展机遇的国世纪抓住制造业发展机遇的国家，都成为了发达国家家，都成为了发达国家;n制造业是国家安全的保证：制造业是国家安全的保证：没有制造业，就没有保证国家安没有制造业，就没有保证国家安全的最基本的国防装备自主权；全的最基本的国防装备自主权；n美国制造业的衰退及对策美国制造业的衰退及对策-夺回生产优

4、势夺回生产优势中指出：中指出：“失去失去制造就失去未来制造就失去未来”纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）一、纳米机械学基础（一、纳米机械学基础（3）n1、序言、序言n2）21世纪是新制造业技术发展的世纪世纪是新制造业技术发展的世纪n机械制造业的发展趋势：机械制造业的发展趋势：n小型化、微型化、集成化、智能化与信息化、机械小型化、微型化、集成化、智能化与信息化、机械/电子电子/新新息一体化技术；息一体化技术；n实现微米实现微米/纳米制造技术的两类途径：纳米制造技术的两类途径：n自组装技术：自组装技术：利用物理、化学方法将分子与原子进行组装、利用

5、物理、化学方法将分子与原子进行组装、构成一定功能的微米构成一定功能的微米/纳米结构：纳米材料学、纳米生物学、纳米结构：纳米材料学、纳米生物学、纳米化学纳米化学n微加工技术：微加工技术：利用精细加工技术制造微米利用精细加工技术制造微米/纳米结构：微电子纳米结构：微电子机械系统技术（机械系统技术（Micro Electro-Mechanical System, MEMS）纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）一、纳米机械学基础（一、纳米机械学基础（4）n2、微机械的发展历程、微机械的发展历程n1）微机械的分类：）微机械的分类：n小型机械：小型机械：

6、1毫米毫米 100毫米；毫米；n微型机械：微型机械： 1-10微米微米 1毫米；毫米；n超微型机械：超微型机械：1-10纳米纳米 1-10微米微米（纳米机械）（纳米机械）n2）微机械学发展历史：）微机械学发展历史：n传统原理支配的机械小型化阶段：机械的单纯小型化。传统原理支配的机械小型化阶段：机械的单纯小型化。n仍旧沿袭传统机械学的制造和使用原理：外载荷和体积力仍旧沿袭传统机械学的制造和使用原理：外载荷和体积力n新型原理支配的微新型原理支配的微/纳机械学阶段：机械与纳米的结合纳机械学阶段：机械与纳米的结合n微微/纳米尺度水平的机械构件材料特性的变化；构件间的纳米尺度水平的机械构件材料特性的变化

7、；构件间的摩擦力和其他表面作用力；摩擦力和其他表面作用力；n纳米科技与机械学的结合：微纳米科技与机械学的结合：微/纳机械学纳机械学纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）一、纳米机械学基础（一、纳米机械学基础（5）n2、微机械的发展历程、微机械的发展历程纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）一、纳米机械学基础（一、纳米机械学基础（6）n2、微机械的发展历程、微机械的发展历程n3）各国微型机械的发展概况：）各国微型机械的发展概况：n美国的发展情况：世界上最早研究的国家美国的发展情况：世界上最早研究的国家

8、n主要研究单位：贝尔实验室、斯坦福大学、麻省理工学院、加州伯克利、主要研究单位：贝尔实验室、斯坦福大学、麻省理工学院、加州伯克利、犹他大学、威斯康星大学、波士顿大学等犹他大学、威斯康星大学、波士顿大学等n1965年，用硅片腐蚀方法制作脑电极阵列的探针；后来，用光刻技术做年，用硅片腐蚀方法制作脑电极阵列的探针；后来，用光刻技术做微米尺寸的微机械（微米尺寸的微机械（P.124，图，图5-1），直到近期的由），直到近期的由78个原子构成的分个原子构成的分子马达（子马达（P .124 ）n日本的发展情况：起步略晚，发展很快（技术立国特色）日本的发展情况：起步略晚，发展很快（技术立国特色）n主要研究单位

9、：东京大学、早稻田大学、东北大学、名古屋大学等；主要研究单位：东京大学、早稻田大学、东北大学、名古屋大学等；n成立了微机械研究会（成立了微机械研究会（1989年），召开国际会议（年），召开国际会议（Micro Machine and Human Science）n特色：微型机器人特色：微型机器人n德国为代表的欧洲国家发展情况（德国为代表的欧洲国家发展情况（P. 124）n中国的研究发展情况（中国的研究发展情况（P. 124）纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）一、纳米机械学基础（一、纳米机械学基础（7）n2、微机械的发展历程、微机械的发展历程纳

10、米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）一、纳米机械学基础（一、纳米机械学基础（8）n2、微机械的发展历程、微机械的发展历程纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）一、纳米机械学基础（一、纳米机械学基础（9）n3、纳米机械学概念与内容、纳米机械学概念与内容n1）纳米机械学的概念：）纳米机械学的概念：n定义：定义：研究纳米尺度对象的机械结构、特性与测量分析，以及进研究纳米尺度对象的机械结构、特性与测量分析，以及进行相关微系统设计的学科；行相关微系统设计的学科；n学科背景：学科背景：适应微型机电系统设计研究的

11、需要而产生的。适应微型机电系统设计研究的需要而产生的。n2）纳米机械学的研究范围（）纳米机械学的研究范围（P. 126）：n微微/纳米摩擦学：纳米摩擦学：从原子、分子尺度出发，研究相互运动构件的从原子、分子尺度出发，研究相互运动构件的接触界面上的作用、变化与损伤机理和对策；接触界面上的作用、变化与损伤机理和对策；n微微/纳结构材料力学：纳结构材料力学：研究适用于制造微型构件的性能独特的材研究适用于制造微型构件的性能独特的材料，及其在环境影响下的变形响应和失效规律；料，及其在环境影响下的变形响应和失效规律；n微机构学：微机构学：研究机械中的运动变换和动力传递，以及机械系统在研究机械中的运动变换和

12、动力传递，以及机械系统在运动过程中动态特性；运动过程中动态特性；n其他关键技术：其他关键技术：与纳米机械原理、制造及应用相关的关键技术，与纳米机械原理、制造及应用相关的关键技术，如微型机器人等如微型机器人等纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）一、纳米机械学基础（一、纳米机械学基础（10）n3、纳米机械学概念与内容、纳米机械学概念与内容n3）纳米机械学的特点与发展：）纳米机械学的特点与发展：n与传统机械学不同的特点：作为微与传统机械学不同的特点：作为微/纳机械设计、制造与评价的基础，纳机械设计、制造与评价的基础，n在尺度、构造、材料、制造方法和工

13、作原理等方面不同；在尺度、构造、材料、制造方法和工作原理等方面不同；n在学科基础、研究内容和研究方法等方面不同；在学科基础、研究内容和研究方法等方面不同；n发展特点：发展特点：n随着基于纳米尺度的新原理、新技术发展而不断发展；随着基于纳米尺度的新原理、新技术发展而不断发展；n将会出现更多的学科分支和内容扩充。将会出现更多的学科分支和内容扩充。n4）MEMS的器件种类举例（的器件种类举例（P. 126）：nIC：信号处理信号处理n微传感器：微传感器：敏感检测各种力学、热学、磁学、光学、化学和生物学参量；敏感检测各种力学、热学、磁学、光学、化学和生物学参量；n微执行器：微执行器：微电动机、微齿轮、

14、微泵、微阀门等微电动机、微齿轮、微泵、微阀门等n微型构件：微型构件：微梁、微探针等；微梁、微探针等；n微机械光学器件：微机械光学器件：微晶阵列、微光扫描器、微光斩波器、微光开关等微晶阵列、微光扫描器、微光斩波器、微光开关等n微机械射频器件（微机械射频器件（RF MEMS）：）：开发开发3G通讯技术器件通讯技术器件n微真空电子器件：微真空电子器件：场发射器件、照明器件、微电子传感器等场发射器件、照明器件、微电子传感器等n微能源微能源/动力源：动力源：刚起步，发展潜力大刚起步，发展潜力大纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）二、纳米级精密测量技术（二

15、、纳米级精密测量技术（1）n1、纳米级尺寸精度与位移的测量方法、纳米级尺寸精度与位移的测量方法n2、纳米级精度的多维尺寸测量、纳米级精度的多维尺寸测量n3、纳米级表面形貌的测量、纳米级表面形貌的测量n4、超精密测量的环境条件、超精密测量的环境条件纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）二、纳米级精密测量技术（二、纳米级精密测量技术（2）n1、纳米级尺寸精度与位移的测量方法、纳米级尺寸精度与位移的测量方法n1）常规测量方法的局限：）常规测量方法的局限：n常规测量手段：常规测量手段：机械量仪（直尺、游标卡尺、千分尺等）、机电量机械量仪（直尺、游标卡尺、

16、千分尺等）、机电量仪、光学显微镜，仪、光学显微镜，n测量局限：测量局限：测量分辨率和测量精度不够、容易损伤被测表面测量分辨率和测量精度不够、容易损伤被测表面n2）基于激光）基于激光/X射线等的新型光干涉纳米测量技术：射线等的新型光干涉纳米测量技术：n特点：非接触式测量技术特点：非接触式测量技术n技术之一：双频激光干涉法技术之一：双频激光干涉法n纳米级分辨率和较高的测量精度；纳米级分辨率和较高的测量精度；n仍然易受环境因素的干扰：如温度、气压、湿度和气流等仍然易受环境因素的干扰：如温度、气压、湿度和气流等n技术之二：技术之二：X射线（超短波长）干涉测量技术射线（超短波长）干涉测量技术n近年新发展

17、的一种技术；近年新发展的一种技术；n具有分辨率高、测量范围大的特点；具有分辨率高、测量范围大的特点；纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）二、纳米级精密测量技术（二、纳米级精密测量技术（3）n1、纳米级尺寸精度与位移的测量方法、纳米级尺寸精度与位移的测量方法纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）二、纳米级精密测量技术（二、纳米级精密测量技术（4）n1、纳米级尺寸精度与位移的测量方法、纳米级尺寸精度与位移的测量方法布拉格方程：布拉格方程：2dsin =k 纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米

18、机械学，2014学年春学期）学年春学期）二、纳米级精密测量技术（二、纳米级精密测量技术（5）n2、纳米级精度的多维尺寸测量、纳米级精度的多维尺寸测量n1）应用：超精密加工、超精密零件测量）应用：超精密加工、超精密零件测量n2）超精密坐标测量机）超精密坐标测量机纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）二、纳米级精密测量技术（二、纳米级精密测量技术（6）n2、纳米级精度的多维尺寸测量、纳米级精度的多维尺寸测量n3）超精密）超精密机床的多坐机床的多坐标在线测量标在线测量系统系统纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年

19、春学期）二、纳米级精密测量技术（二、纳米级精密测量技术（7）n3、纳米级表面形貌的测量、纳米级表面形貌的测量n1）应用：测量试件表面的微观形貌和表面粗糙度）应用：测量试件表面的微观形貌和表面粗糙度n2）测试技术之一：表面轮廓仪）测试技术之一：表面轮廓仪n测试原理：测试原理：n通过特制的探针与样品表面的接触进行表面轮廓的测量通过特制的探针与样品表面的接触进行表面轮廓的测量n探针特性：探针特性：n材质：耐磨的金刚石；材质：耐磨的金刚石；n针尖：曲率半径为针尖：曲率半径为0.05微米微米n测量缺点：测量缺点：n探针针尖直接与样品接触，试样表面容易被划伤探针针尖直接与样品接触，试样表面容易被划伤n3）

20、测试技术之二：扫描电子显微镜）测试技术之二：扫描电子显微镜n4）测试技术之三：扫描探针显微镜（）测试技术之三：扫描探针显微镜（STM，AFM）纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）二、纳米级精密测量技术（二、纳米级精密测量技术（8）n3、纳米级表面形貌的测量、纳米级表面形貌的测量n5）测试技术之四：激光测量）测试技术之四：激光测量n通过激光照射表面时获得的干涉通过激光照射表面时获得的干涉图像进行分析图像进行分析纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）二、纳米级精密测量技术（二、纳米级精密测量技术（9）

21、n4、超精密测量的环境条件、超精密测量的环境条件n1）超精密测量的要求：）超精密测量的要求：n恒温条件恒温条件、隔防振条件隔防振条件、空气洁净条件空气洁净条件、n湿度条件、噪声条件、光照条件、防静电条件等湿度条件、噪声条件、光照条件、防静电条件等n2）恒温条件：）恒温条件：n国际上测量温度标准：国际上测量温度标准：n20作为长度测量的标准温度作为长度测量的标准温度n高精度测量和超精密加工必须保持严格的恒温条件高精度测量和超精密加工必须保持严格的恒温条件n测试条件：测试条件：n被测试样品进入恒温室（或浸入恒温槽内）后，必须放置足够长的被测试样品进入恒温室（或浸入恒温槽内）后，必须放置足够长的时间

22、才能进行测量或者加工；时间才能进行测量或者加工；n温度影响：温度影响：测量测量/加工工具与样品的热膨胀系数（加工工具与样品的热膨胀系数（10-6-10-8）不同，）不同，温度波动等变化必然造成误差温度波动等变化必然造成误差纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）二、纳米级精密测量技术（二、纳米级精密测量技术（10）n4、超精密测量的环境条件、超精密测量的环境条件表表 恒温等级和允许的温度差恒温等级和允许的温度差n温度变化影响分析：温度变化影响分析：n长度长度100毫米的钢件，温度升高毫米的钢件，温度升高1 ，则长度膨胀，则长度膨胀1.1微米微米n长

23、度长度100毫米的铝件，温度升高毫米的铝件，温度升高1，则长度膨胀，则长度膨胀2.3微米微米n直径为直径为100毫米的硅片，温度升高毫米的硅片，温度升高1，则径向膨胀，则径向膨胀0.23微米微米需要更高需要更高的恒温等的恒温等级级!恒温等级恒温等级0.2级级0.5级级1级级2级级允许最大温度差允许最大温度差0.20.512纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）二、纳米级精密测量技术（二、纳米级精密测量技术（11）n4、超精密测量的环境条件、超精密测量的环境条件n美国美国LLL实验室的实验室的LODTM超精密机床：超精密机床：n极为严格的恒温控制技

24、术（恒温水浇淋机床发热部分）极为严格的恒温控制技术（恒温水浇淋机床发热部分）n恒温水的温度：恒温水的温度：200.0005n机床恒温水平：机床恒温水平：200.005纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）二、纳米级精密测量技术（二、纳米级精密测量技术（12）n4、超精密测量的环境条件、超精密测量的环境条件n3）消振和隔振条件：）消振和隔振条件：n控制要求：控制要求：n高频振动较容易控制和消除，高频振动较容易控制和消除，低频率振动比较麻烦低频率振动比较麻烦n低频振幅控制在低频振幅控制在0.125微米微米以下以下n控制技术控制技术n防振地基：加隔振沟

25、防振地基：加隔振沟n隔振器：隔振器：n弹簧隔振器弹簧隔振器/支撑支撑/悬挂；悬挂；n橡胶隔振器；橡胶隔振器；n空气弹簧隔振器空气弹簧隔振器n组合隔振器组合隔振器纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）二、纳米级精密测量技术（二、纳米级精密测量技术（13）n4、超精密测量的环境条件、超精密测量的环境条件n4）空气洁净条件：）空气洁净条件：n我国的空气洁净度等级控制：我国的空气洁净度等级控制：n主要控制直径在主要控制直径在0.5微米以上的尘粒数目微米以上的尘粒数目纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）二、

26、纳米级精密测量技术（二、纳米级精密测量技术（14）n4、超精密测量的环境条件、超精密测量的环境条件n4）空气洁净条件：）空气洁净条件：n美国美国209D的空气洁净度等级控制：的空气洁净度等级控制：n主要增加了主要增加了0.3微米、微米、0.2微米和微米和0.1微米直径的尘粒数目控制要求微米直径的尘粒数目控制要求纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（1）n1、微机械、微机械/MEMS的提出的提出n2、理论基础、理论基础n3、材料基础、材料基础n4、技术基础、技术基础n5、部分器件、部分器件/系统

27、简介（略）系统简介（略）纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（2）n1、微机械、微机械/MEMS的提出的提出n1）微机械的分类：）微机械的分类：n小型机械：小型机械：1毫米毫米 100毫米；毫米；n微型机械：微型机械：1-10微米微米 1毫米；毫米；n纳米机械：纳米机械：1-10纳米纳米 1-10微米（超微型机械）微米（超微型机械）n2）MEMS（微型机电系统）（微型机电系统）广义地，统广义地，统称微型机械称微型机械纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年

28、春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（3）n1、微机械、微机械/MEMS的提出的提出n3）MEMS的定义与特点：的定义与特点：n定义：定义：n将微型机械、信息输入的微型传感器、控制器、模拟或者数字信将微型机械、信息输入的微型传感器、控制器、模拟或者数字信号的处理器、输出信号接口、致动器（驱动器）、电源等都进行号的处理器、输出信号接口、致动器（驱动器）、电源等都进行微型化并集成在一起的系统。微型化并集成在一起的系统。n特点：特点：n结构特点：结构特点：内部可分成几个独立的功能单元，同时又集成为一个内部可分成几个独立的功能单元，同时又集成为一个统一的系统，统一的系统，n集成

29、特点：除了集成特点：除了简单的简单的微型机械微型机械与与电器件电器件的集成之外，可包括光、的集成之外，可包括光、声、化学以及其它物理声、化学以及其它物理/化学化学/生物传感器、或者光学子系统等更生物传感器、或者光学子系统等更复杂系统在内的复杂集成系统。复杂系统在内的复杂集成系统。n功能特点：功能特点：具有较强的独立运行能力，又能完成指定的工作要求。具有较强的独立运行能力，又能完成指定的工作要求。纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（4）n1、微机械、微机械/MEMS的提出的提出n4）MEMS的

30、发展的发展nMEMS的研发历史的研发历史n50年代提出概念，年代提出概念，60年代开发了微型传感器，年代开发了微型传感器，70年代欧美公司规模年代欧美公司规模介入研究介入研究n80年代开始，欧美国家全面展开研究年代开始，欧美国家全面展开研究n美国将航空航天、通讯和美国将航空航天、通讯和MEMS列为国家的三大科研重点，并有列为国家的三大科研重点，并有30多多个有名的个有名的MEMS研究团队；研究团队；n欧洲目前有数百所院校、研究单位和公司进行欧洲目前有数百所院校、研究单位和公司进行MEMS的研究；的研究；n日本日本1991-2000年实施了年实施了250亿日元的亿日元的“微型机械技术微型机械技术

31、”研究开发计研究开发计划划n不同国家不同国家MEMS的不同称呼的不同称呼n美国（美国（MEMS）：）：在半导体集成电路工艺技术基础上延伸和拓展而来，在半导体集成电路工艺技术基础上延伸和拓展而来，称为称为微电子机械系统技术（微电子机械系统技术（Micro Electro-Mechanical System）n欧洲：欧洲：微系统（微系统（Microsystem）n日本：微机器（日本：微机器（Micromachine）纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（5）n1、微机械、微机械/MEMS的提出的提

32、出n5）MEMS的产业发展前景。的产业发展前景。n应用领域：应用领域：n医疗与外科手术设备、航空航天工业、科学仪器、通讯设备仪器、传感器工业、医疗与外科手术设备、航空航天工业、科学仪器、通讯设备仪器、传感器工业、国防军事工业、日用产品等国防军事工业、日用产品等n产业规模与增速产业规模与增速n统计报告一：统计报告一：受欧洲共同体的支持并拥有近受欧洲共同体的支持并拥有近400个产业和学术成员单位个产业和学术成员单位的的NEXUS（多功能微系统高级网络）预测（多功能微系统高级网络）预测，MEMS产业的全球市场将产业的全球市场将从从2000年的年的300亿美元亿美元增加到增加到2005年的年的680亿

33、美元亿美元，年均增长率，年均增长率2030。MEMS包括各种单片、混合、硅基器件和任何微机械制成包括各种单片、混合、硅基器件和任何微机械制成的微结构产品；或者理解为的微结构产品；或者理解为MEMS及其相关产品。因而，及其相关产品。因而，NEXUS估计估计的销售额要比美国市场研究公司的数字大好几倍。的销售额要比美国市场研究公司的数字大好几倍。n统计报告二：统计报告二：美国旧金山美国旧金山Roger Grace Associates的调查预测的调查预测2000年年M3（MEMS、Microsystems及及Micromachining的总称）市场规的总称）市场规模模142亿美元，亿美元，2004年

34、市场规模达年市场规模达304亿美元，综合平均增长率达亿美元，综合平均增长率达21%。以以IT/外围设备及医学外围设备及医学/生化产品为主要应用，两者占市场总值生化产品为主要应用，两者占市场总值的的68%，但若以市场潜力来看，则以通讯产品的应用最具增长潜力。，但若以市场潜力来看，则以通讯产品的应用最具增长潜力。纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（5）n1、微机械、微机械/MEMS的提出的提出n统计报告三：统计报告三：拥有包括拥有包括Corning IntelliSense、Honeywell、

35、Intel和和Xerox等等22家会员公司的家会员公司的MIG （美国微机电系统产业协会，（美国微机电系统产业协会，MEMS Industry Group ）预测）预测，MEMS市场规模从市场规模从2000年年20-50亿亿美元美元增加到增加到2004年的年的80-150亿美元亿美元，年均复合增长率年均复合增长率75-86%；2004年平均每个美国人拥有年平均每个美国人拥有5个个MEMS器件器件。报告同时指出，未来。报告同时指出，未来20年间影响年间影响MEMS产业发展的关键技术包括需要开发与生物体相适应的产业发展的关键技术包括需要开发与生物体相适应的材料，还要将材料，还要将MEMS与电子、信

36、息等技术结合产生新的综合功能。与电子、信息等技术结合产生新的综合功能。n统计报告四：统计报告四： 美国市场研究公司美国市场研究公司In-Stat/MDR指出，微机电系统市指出，微机电系统市场由场由2001年年39亿美元亿美元增长到增长到2006年的年的96亿美元亿美元，复合年增率约为复合年增率约为19.7% 。微机电系统结构通常采用的。微机电系统结构通常采用的MEMS技术现已应用于主要市场技术现已应用于主要市场领域。虽然成熟的产业增长率相对较低，但通讯和消费市场等领域的领域。虽然成熟的产业增长率相对较低，但通讯和消费市场等领域的增长率将会高于增长率将会高于MEMS的复合年增率。的复合年增率。2

37、006年以前，通讯和消费市场年以前，通讯和消费市场等复合年增长率分别达等复合年增长率分别达151.4%和和42.2%。纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（6）n2、理论基础、理论基础n1）MEMS的发展的理论基础的发展的理论基础nMEMS除了宏观机电系统的载荷与体积堆彻力之外，更多地受传统除了宏观机电系统的载荷与体积堆彻力之外，更多地受传统理论无法解释的新的特定规律（微纳米水平的摩擦力，表面力等作理论无法解释的新的特定规律（微纳米水平的摩擦力，表面力等作用）支配；用）支配；n在新的物理学等理

38、论基础之上，才能发展和设计出高水平和高质量在新的物理学等理论基础之上，才能发展和设计出高水平和高质量的微结构、微器件和的微结构、微器件和MEMS系统系统n2）物理参量的微尺寸效应）物理参量的微尺寸效应nA、器件特征尺寸的微尺寸效应、器件特征尺寸的微尺寸效应n进入微小尺寸领域后，器件尺寸进入微小尺寸领域后，器件尺寸L对各种物理特性变化的影响是各不相同的对各种物理特性变化的影响是各不相同的（见后页附表，从（见后页附表，从-1次方到次方到5次方变化）次方变化）nB、运动参数受尺寸效应影响的分析、运动参数受尺寸效应影响的分析n器件尺寸越小：则响应越快、动能更小（器件操作的耗能小）、惯性很小（灵器件尺寸

39、越小：则响应越快、动能更小（器件操作的耗能小）、惯性很小（灵敏度高）敏度高）（见后页附表）（见后页附表）纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（7）n2、理论基础、理论基础纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（8）n2、理论基础、理论基础纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（9）n2、理论基础、

40、理论基础纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（10）n2、理论基础、理论基础n3）MEMS的微机械学理论基础的微机械学理论基础nA、微机构的机械特征、微机构的机械特征n基本上依赖于材料的物理特性，见附表基本上依赖于材料的物理特性，见附表nB、微摩擦学（、微摩擦学（P.133-P.138）n对有旋转、连杆机构与滑动工作面的微小机械，必须减少摩擦和对有旋转、连杆机构与滑动工作面的微小机械，必须减少摩擦和磨损磨损nC、微构造的振动特性、微构造的振动特性n4）MEMS的微热力学理论基础：温度特性分析的

41、微热力学理论基础：温度特性分析n5）MEMS的微流体力学理论基础的微流体力学理论基础nA、微通道中、微通道中 液体液体/气体的微流体学气体的微流体学nB、微通道中的边界效应、微通道中的边界效应纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（11）n2、理论基础、理论基础纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（12）n3、材料基础、材料基础n1）MEMS使用材料的类别。使用材料的类别。n结构材料：结构材料：

42、n具有良好机械力学强度特性，用来制造器件基本结构的材料。具有良好机械力学强度特性，用来制造器件基本结构的材料。如单晶如单晶/多晶硅多晶硅、Si3N4 Al2O3等陶瓷材料、金属材料等等陶瓷材料、金属材料等n功能材料：功能材料：n具有并实现特定功能要求的材料，具有并实现特定功能要求的材料，n如压电（压力如压电（压力-电压）、光敏（光照电压）、光敏（光照-电流）、形状记忆材料电流）、形状记忆材料（温度（温度-形状）等形状）等n智能材料：智能材料：n具有传感、致动具有传感、致动/驱动、控制等方面的功能驱动、控制等方面的功能n以复合材料的形式存在：将多种功能材料复合在特定基体以复合材料的形式存在：将多

43、种功能材料复合在特定基体/母母体材料（碳纤维基体）中体材料（碳纤维基体）中纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（13）n3、材料基础、材料基础n2）MEMS使用的结构材料。使用的结构材料。纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（14）n3、材料基础、材料基础n3）MEMS使用的功能材料。使用的功能材料。纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机

44、械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（15）n3、材料基础、材料基础n3）MEMS使用的功能材料。使用的功能材料。纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（16）n1）MEMS的系统的系统组成基组成基本技术本技术n4、技术基础、技术基础纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（17）n4、技术基础、技术基础n2）MEMS的设计技术的设计技术n涉及学科技术领域：涉及学科技术领域：n机、电、光、热

45、、磁、声、生物等技术领域，机、电、光、热、磁、声、生物等技术领域，n主要采用的技术：主要采用的技术：n微结构设计数据库，有限元和边界分析，微结构设计数据库，有限元和边界分析，CAD/CAM的设计、的设计、仿真运行和模拟技术，微系统建模、实验验证等技术，仿真运行和模拟技术，微系统建模、实验验证等技术，n同时还包括微小型化带来的相关基础理论研究，同时还包括微小型化带来的相关基础理论研究，n如力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、微热传导、如力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、微热传导、误差效应和微构件材料性能等。误差效应和微构件材料性能等。 纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（

46、纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（18）n4、技术基础、技术基础n3）MEMS的制造技术的制造技术n目前，目前，MEMS制造采用的三大主要技术路径：制造采用的三大主要技术路径：nA、以美国为代表的以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术；、以美国为代表的以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术；nB、以德国为代表发展起来的、以德国为代表发展起来的LIGA技术；技术；nC、以日本为代表发展的精密加工技术。、以日本为代表发展的精密加工技术。n主要采用的技术（仅列出主要采用的技术（仅列出3种，还有许多！）：种，还有许多！）：n集成电路制

47、造技术：集成电路制造技术：n包括光刻、掺杂、外延、多层加工、重复定位、刻蚀、键合、检包括光刻、掺杂、外延、多层加工、重复定位、刻蚀、键合、检测测nLIGA技术（技术（P. 130）：n集深度集深度X射线光刻、微电铸成型、塑料模铸技术而成的综合性的、三维立射线光刻、微电铸成型、塑料模铸技术而成的综合性的、三维立体复合微细加工技术体复合微细加工技术n采用的材料种类范围大：金属采用的材料种类范围大：金属/合金、陶瓷、高分子合金、陶瓷、高分子n最大尺寸最大尺寸1000微米，加工精度微米，加工精度0.1微米微米nSTM的原子操纵和纳米级技工技术：的原子操纵和纳米级技工技术：纳米科技概论纳米科技概论-6（

48、纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械/MEMS与制造技术（与制造技术（19）n4、技术基础、技术基础n4）MEMS的装配与检测技术的装配与检测技术nMEMS的装配技术（的装配技术（P. 132）：n尺寸小、重量轻、精度高：不能采用人工直接装配尺寸小、重量轻、精度高：不能采用人工直接装配n特殊的装配系统：特殊的装配系统：n主从装配系统：主从装配系统：n自动化装配系统：自动化装配系统：n使用微机械手装配：使用微机械手装配：nMEMS的检测技术（的检测技术（P. 132）：n目前还无法实现在线、实时的检测：目前还无法实现在线、实时的检测：n主要的测试技术分类（主要的测试技术分类（P. 132）：n材料性能的测试技术材料性能的测试技术n加工过程参数测试技术加工过程参数测试技术n芯片基本功能测试技术芯片基本功能测试技术纳米科技概论纳米科技概论-6（纳米机械学（纳米机械学，2014学年春学期）学年春学期）三、微机械三、微机械