哈工大机械系统设计第10章

1、1 随着微随着微/纳米科学与技术纳米科学与技术(Micro-Nano- Science and Technology)的发展，以形状尺寸微小或操作尺度的发展，以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。微机械由于具有能够在狭小客观世界的一种高新技术。微机械由于具有能够在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、生物医疗等领域有着广阔的应用航空航天、精密仪器、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力，并成为纳米技术研究的重要手段

2、，因而受到各国潜力，并成为纳米技术研究的重要手段，因而受到各国的高度重视，被列为的高度重视，被列为21世纪关键技术之首。世纪关键技术之首。 微机械微机械美国国会已把微机械的研究作为美国国会已把微机械的研究作为21世纪重点发展的学世纪重点发展的学科之一，美国国家基金会也拨巨资开始了微机械的研究；科之一，美国国家基金会也拨巨资开始了微机械的研究；日本通产省日本通产省1991年开始启动一项为期年开始启动一项为期10年耗资年耗资250亿亿日元的微机械研究计划；日元的微机械研究计划；欧共体国家在尤里卡计划中将微机械作为一个重要的欧共体国家在尤里卡计划中将微机械作为一个重要的研究内容，并在法、德两国组织实

3、施。研究内容，并在法、德两国组织实施。在我国，微机械的研究也逐渐得到重视，国家科委、在我国，微机械的研究也逐渐得到重视，国家科委、原国防科工委、国家自然科学基金委等部门将其列为重原国防科工委、国家自然科学基金委等部门将其列为重点发展项目。点发展项目。 微机械国内外现状微机械国内外现状美国：美国：MEMS (Micro ElectroMechanical System) )微机电系统微机电系统日本：日本：Micro-Machine，微机械，微机械欧洲：欧洲：MicroSystems，微系统，微系统第十章第十章 微系统简介微系统简介微系统的习惯用语微系统的习惯用语第十章第十章 微系统简介微系统简介

4、 微机电系统微机电系统(Microelectro Mechanical Systems, MEMS)(Microelectro Mechanical Systems, MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科究领域。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。目前，全世界有大约目前，全世界

5、有大约600600余家单位从事余家单位从事MEMSMEMS的研制和的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中微传感器占相当大的比例。其中微传感器占相当大的比例。微机电系统微机电系统51 1 什么是微系统什么是微系统2 2 微系统涉及的学科微系统涉及的学科3 3 微系统的特点微系统的特点4 4 微系统的基本特征微系统的基本特征5 5 微系统的实例微系统的实例一、微系统的有关概念一、微系统的有关概念第十章第十章 微系统简介微系统简介6

6、 微机电系统是一种集成了微电子电路和微机械执微机电系统是一种集成了微电子电路和微机械执行器行器(和微机械传感器和微机械传感器)的微小器件的微小器件(或系统或系统)。它既可根。它既可根据电路信息的指令，控制执行器实现机械操作；也可据电路信息的指令，控制执行器实现机械操作；也可以利用传感器探测或接受外部信息，传感器转换出来以利用传感器探测或接受外部信息，传感器转换出来的信号经电路处理后，再由执行器变为机械操作，去的信号经电路处理后，再由执行器变为机械操作，去执行信息命令。可以说，微机电系统是一种获取、处执行信息命令。可以说，微机电系统是一种获取、处理信息和执行机械操作的集成器件。与微机电系统研理信

7、息和执行机械操作的集成器件。与微机电系统研究相关的基础理论、设计、材料、加工、检测和应用究相关的基础理论、设计、材料、加工、检测和应用技术称为微机电系统技术。技术称为微机电系统技术。微机电系统微机电系统-MEMS1. 什么是微机电系统什么是微机电系统 微机电系统微机电系统包括包括微传感器微传感器、微致动器微致动器（亦称微（亦称微执行器）、执行器）、微能源微能源等微机械基本部分以及高性能的等微机械基本部分以及高性能的电子集成线路组成的微机电器件与装置。电子集成线路组成的微机电器件与装置。 微机械：按外形尺寸特征，微机械可分成：微机械：按外形尺寸特征，微机械可分成： 1mm-10mm 微小型机械微

8、小型机械 1um-1mm 微机械微机械 1nm-1um 纳米机械纳米机械 第十章第十章 微系统简介微系统简介8 以微机械为研究对象的微机电系统技术涉及多种学以微机械为研究对象的微机电系统技术涉及多种学科科, ,主要包括主要包括微机械学微机械学、微电子学微电子学、自动控制自动控制、物理物理、化学化学、生物生物、以及、以及材料科学材料科学等基本内容等基本内容, ,是一个多学科、是一个多学科、高技术的边缘学科。高技术的边缘学科。 2. 微机电系统涉及的学科微机电系统涉及的学科第十章第十章 微系统简介微系统简介9 微机械的一个重要特点是微机械的一个重要特点是“微微”，而随之带来的，而随之带来的是微机械

9、的尺寸缩小所产生的是微机械的尺寸缩小所产生的尺寸效应尺寸效应现象，即随着尺现象，即随着尺寸缩小，物理量并非等比例缩小，当尺寸缩小到一定程寸缩小，物理量并非等比例缩小，当尺寸缩小到一定程度时，宏观机械的模拟原理和相似理论不再适用。所以度时，宏观机械的模拟原理和相似理论不再适用。所以微机械的特征和传统机械有很多不同之处。微机械的特征和传统机械有很多不同之处。 尺度效应对尺度效应对材料性能、机械特性、摩擦和粘附都材料性能、机械特性、摩擦和粘附都有影响。有影响。3. 微机电系统的特点微机电系统的特点第十章第十章 微系统简介微系统简介10 (1)(1)微机械中起主导作用的力是表面力微机械中起主导作用的力

10、是表面力。微型机。微型机械体积小、重量轻械体积小、重量轻, ,因此表面力与体积力相比成为主因此表面力与体积力相比成为主导作用的力。故随着尺寸的缩小导作用的力。故随着尺寸的缩小, ,静电力与重力相比静电力与重力相比成为主导作用力成为主导作用力, ,所以微机械常用静电力驱动。与普所以微机械常用静电力驱动。与普通机械相比通机械相比, ,摩擦力对微机械影响比重力更大一些。摩擦力对微机械影响比重力更大一些。 (2)(2)微机械并不是传统机械的模拟缩小微机械并不是传统机械的模拟缩小。设计微。设计微型机电系统并不是追求复杂的机械结构型机电系统并不是追求复杂的机械结构, ,而是着眼于而是着眼于用多个简单的机械

11、元件、传感器和人工智能的器件完用多个简单的机械元件、传感器和人工智能的器件完成复杂的工作。成复杂的工作。4. 微机电系统的基本特征微机电系统的基本特征第十章第十章 微系统简介微系统简介11 (3)(3)在能源供给上在能源供给上, ,如果微型机械系统具有移动和如果微型机械系统具有移动和转动功能转动功能, ,电缆就会成为运动的障碍电缆就会成为运动的障碍, ,所以微机械一般所以微机械一般采用静电力供能，或者使用静电力激励供能。因此采用静电力供能，或者使用静电力激励供能。因此, ,原原有适用于传统机械的方法和原理对于微型机械已不再有适用于传统机械的方法和原理对于微型机械已不再适用。适用。4. 微机电系

12、统的基本特征微机电系统的基本特征第十章第十章 微系统简介微系统简介125 微系统的实例微系统的实例微马达微马达第十章第十章 微系统简介微系统简介135 微系统的实例微系统的实例微齿轮微齿轮微流量计活动微齿轮，微流量计活动微齿轮，Ni光刻而成，齿轮半径光刻而成，齿轮半径200um，高，高230um第十章第十章 微系统简介微系统简介145 微系统的实例微系统的实例日本日本DensoDenso公司研制的微型汽车公司研制的微型汽车第十章第十章 微系统简介微系统简介15微型轴承微型轴承第十章第十章 微系统简介微系统简介5 微系统的实例微系统的实例微轴承微轴承16弹簧，厚弹簧，厚3um，间隙，间隙3-4u

13、m第十章第十章 微系统简介微系统简介5 微系统的实例微系统的实例微弹簧微弹簧17微齿轮微齿轮第十章第十章 微系统简介微系统简介5 微系统的实例微系统的实例微齿轮组微齿轮组18由由4um厚的多晶硅加工而成，细梁宽厚的多晶硅加工而成，细梁宽2.5um，长，长283um第十章第十章 微系统简介微系统简介5 微系统的实例微系统的实例微平行四边形微平行四边形19微系统微系统信号处理信号处理传感器传感器致动器致动器外部接口外部接口 微系统一般由传感器模块（微系统一般由传感器模块（微传感器微传感器）、执行元）、执行元件模块（件模块（微致动器微致动器）、信号处理模块（处理单元）和）、信号处理模块（处理单元）和

14、外部接口模块构成。外部接口模块构成。二、微系统的组成与应用二、微系统的组成与应用第十章第十章 微系统简介微系统简介20 微传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出微传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。器所不能

15、实现的功能。1. 微传感器微传感器第十章第十章 微系统简介微系统简介212.微致动器微致动器 将由微传感器输出的电、光或热信号将由微传感器输出的电、光或热信号/信号处理信号处理单元的信号转换为力、转矩、位移和相位等物理参单元的信号转换为力、转矩、位移和相位等物理参数输出。数输出。第十章第十章 微系统简介微系统简介22 工作原理是将其他能量（一般是电能）转换为机械工作原理是将其他能量（一般是电能）转换为机械能。实现这一转换的执行机制有：能。实现这一转换的执行机制有：静电力静电力驱动、驱动、电磁力电磁力驱动、驱动、压电力压电力驱动、驱动、热膨胀力热膨胀力驱动、驱动、磁致伸缩磁致伸缩式驱动、式驱动、

16、气动气动、电液电液致动、致动、凝胶凝胶致动、致动、光光致动、致动、超声波超声波致动、致动、气气泡泡驱动以及驱动以及形状记忆合金膜片形状记忆合金膜片驱动等。驱动等。 微致动器的类型、特点微致动器的类型、特点第十章第十章 微系统简介微系统简介23静电致动原理静电致动原理 静电致动是一种使电能转换成机械能（变形能、动静电致动是一种使电能转换成机械能（变形能、动能）的方法。静电致动，可以看成是两块带有相反电荷能）的方法。静电致动，可以看成是两块带有相反电荷的平行板相互吸引、产生变形而致动。在估算这种微执的平行板相互吸引、产生变形而致动。在估算这种微执行器产生的力时，往往需要忽略静电力与施加电压之间行器

17、产生的力时，往往需要忽略静电力与施加电压之间的非线性关系。的非线性关系。第十章第十章 微系统简介微系统简介24压电致动原理压电致动原理 利用压电晶体（陶瓷、压电薄膜等）的利用压电晶体（陶瓷、压电薄膜等）的逆压电效应逆压电效应或称电致伸缩致动。或称电致伸缩致动。压电执行器的不足：压电执行器的不足：制作工艺比较复杂，而且在电压制作工艺比较复杂，而且在电压驱动下位移很小，为了得到较大的位移，可采用双压驱动下位移很小，为了得到较大的位移，可采用双压电晶体片或多层压电陶瓷。电晶体片或多层压电陶瓷。第十章第十章 微系统简介微系统简介25压电行波马达原理压电行波马达原理第十章第十章 微系统简介微系统简介26

18、形状记忆合金致动原理形状记忆合金致动原理 形状记忆台金形状记忆台金(Shape Memory Alloy(Shape Memory Alloy，SMASMA) )具有具有形状记忆效应，即这种合金在高温定形后，冷却到较形状记忆效应，即这种合金在高温定形后，冷却到较低温度，并施加变形，使其存在残余变形；在这种状低温度，并施加变形，使其存在残余变形；在这种状态下稍加热，可使其存在的残余变形消失，并恢复到态下稍加热，可使其存在的残余变形消失，并恢复到高温下所固有的形状，就好像合金高温下所固有的形状，就好像合金“记住了记住了”高温状高温状态下所赋予的形状一样，所以称为形状记忆合金。态下所赋予的形状一样，

19、所以称为形状记忆合金。 常用的形状记忆合金有镍常用的形状记忆合金有镍钛钛(NiTi)(NiTi)合金、铜合金、铜铝铝镍合金、铁镍合金、铁镍合金和铁镍合金和铁铂合金等。铂合金等。 形状记忆合金有形状记忆合金有单程记忆单程记忆和和双程记忆双程记忆两种。两种。第十章第十章 微系统简介微系统简介27致动类型致动原理作用范围作用力响应速度驱动电压静电力驱动电荷um-cm10N60000r/min500V压电力驱动电荷张力nm-um大高超过1000V形状记忆合金热变形恢复力mm1N中等 300r/min5V膜驱动压力大中等中等-电液驱动电流粘性力中等小到中等中等高机械化学驱动化学反应恢复力小小中等 25c

20、m/min致动器的特性比较致动器的特性比较第十章第十章 微系统简介微系统简介28SMA薄膜弹簧薄膜弹簧SMA薄膜机械手薄膜机械手最大开合最大开合110um电热制动器电热制动器 800um长，最大伸缩变形长，最大伸缩变形5umSMA薄膜微驱动泵薄膜微驱动泵薄膜厚度薄膜厚度20um第十章第十章 微系统简介微系统简介29三、微结构分析时应该注意的问题三、微结构分析时应该注意的问题大变形及变形的非线性大变形及变形的非线性残余应力效应残余应力效应尺度效应尺度效应耦合效应耦合效应残余应力引起的微梁屈曲残余应力引起的微梁屈曲大变形大变形第十章第十章 微系统简介微系统简介30三、微系统的加工三、微系统的加工微

21、系统的加工包括两个方面微系统的加工包括两个方面 1 微器件的加工微器件的加工 2 微系统的封装（装配）微系统的封装（装配）第十章第十章 微系统简介微系统简介311. 微器件的加工工艺微器件的加工工艺微器件的加工方法主要有：微器件的加工方法主要有： 1）微电子加工）微电子加工 2）LIGA加工加工 3）机械微加工）机械微加工 4）放电微细加工）放电微细加工 5）激光微细加工）激光微细加工第十章第十章 微系统简介微系统简介321）微电子加工）微电子加工 微电子加工以集成电路的制作工艺为基础，其加微电子加工以集成电路的制作工艺为基础，其加工方法主要是蚀刻，即腐蚀（化学腐蚀和物理腐蚀）。工方法主要是蚀

22、刻，即腐蚀（化学腐蚀和物理腐蚀）。 集成电路的制作工艺过程如下：集成电路的制作工艺过程如下： 薄膜沉积薄膜沉积光刻光刻表面改性表面改性蚀刻蚀刻封装封装微电子加工分两大类：微电子加工分两大类： 1）表面微加工）表面微加工制制作两维结构作两维结构 2）体微加工）体微加工制制作三维结构作三维结构第十章第十章 微系统简介微系统简介33表面微加工举例表面微加工举例加工简单加工简单的悬臂梁的悬臂梁第十章第十章 微系统简介微系统简介34加工有固定锚接点和凸起点的悬臂梁加工有固定锚接点和凸起点的悬臂梁表面微加工举例表面微加工举例第十章第十章 微系统简介微系统简介352）LIGA加工加工 微系统技术中由集成电路

23、光刻技术、电化学电铸微系统技术中由集成电路光刻技术、电化学电铸技术、及高分子成型技术等整合的微光刻电铸模造技术、及高分子成型技术等整合的微光刻电铸模造 (LIGA) (LIGA) 工艺，是批量生产高深宽比微组件的最佳方法。工艺，是批量生产高深宽比微组件的最佳方法。标准的标准的 LIGA LIGA 制程使用同步辐射制程使用同步辐射 X X 光为光刻源，可制光为光刻源，可制作次微米精度之微结构，但因其制程成本高、程序复作次微米精度之微结构，但因其制程成本高、程序复杂、时程长，使得以紫外光、激光作为光源的类杂、时程长，使得以紫外光、激光作为光源的类 LIGA LIGA 工艺成为另一种发展趋势。工艺成

24、为另一种发展趋势。第十章第十章 微系统简介微系统简介36LIGALIGA工艺实例工艺实例第十章第十章 微系统简介微系统简介373 3）机械微加工）机械微加工第十章第十章 微系统简介微系统简介38在车床加工的槽在车床加工的槽第十章第十章 微系统简介微系统简介394 4）放电微细加工）放电微细加工主要有：主要有：微细电火花加工微细电火花加工微细孔加工微细孔加工/微细轴加工微细轴加工/微细铣削加工微细铣削加工微细电火花线切割加工微细电火花线切割加工微细二维零件和模具的加工微细二维零件和模具的加工微细电化学加工微细电化学加工微细孔加工微细孔加工/微细轴加工微细轴加工/微细铣削加工微细铣削加工第十章第十章 微系统简介微系统简介40微细电火花加工项目简介微