纳米科技概论(6)20140402(纳米机械学)课件

1、纳米科学技术概论主讲教师：杨辉、郭兴忠纳米机械学一、纳米机械学基础二、纳米级精密测量技术三、微机械/微型机电系统与制造技术四、纳米摩擦学（自学）五、纳米机械学研究进展（自学）一、纳米机械学基础（1）1、序言2、微机械的发展历程3、纳米机械学概念与内容一、纳米机械学基础（3）1、序言2）21世纪是新制造业技术发展的世纪机械制造业的发展趋势：小型化、微型化、集成化、智能化与信息化、机械/电子/新息一体化技术；实现微米/纳米制造技术的两类途径：自组装技术：利用物理、化学方法将分子与原子进行组装、构成一定功能的微米/纳米结构：纳米材料学、纳米生物学、纳米化学微加工技术：利用精细加工技术制造微米/纳米结

2、构：微电子机械系统技术（Micro Electro-Mechanical System, MEMS）一、纳米机械学基础（4）2、微机械的发展历程1）微机械的分类：小型机械： 1毫米 100毫米；微型机械： 1-10微米 1毫米；超微型机械：1-10纳米 1-10微米（纳米机械）2）微机械学发展历史：传统原理支配的机械小型化阶段：机械的单纯小型化。仍旧沿袭传统机械学的制造和使用原理：外载荷和体积力新型原理支配的微/纳机械学阶段：机械与纳米的结合微/纳米尺度水平的机械构件材料特性的变化；构件间的摩擦力和其他表面作用力；纳米科技与机械学的结合：微/纳机械学一、纳米机械学基础（5）2、微机械的发展历程

3、一、纳米机械学基础（6）2、微机械的发展历程3）各国微型机械的发展概况：美国的发展情况：世界上最早研究的国家主要研究单位：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1965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（P.124，图5-1），直到近期的由78个原子构成的分子马达（P .124 ）日本的发展情况：起步略晚，发展很快（技术立国特色）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；成立了微机械研究会（1989年），召开国际会议（Micro Machine and Human Science）特色：微

4、型机器人德国为代表的欧洲国家发展情况（P. 124）中国的研究发展情况（P. 124）一、纳米机械学基础（8）2、微机械的发展历程一、纳米机械学基础（10）3、纳米机械学概念与内容3）纳米机械学的特点与发展：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，在尺度、构造、材料、制造方法和工作原理等方面不同；在学科基础、研究内容和研究方法等方面不同；发展特点：随着基于纳米尺度的新原理、新技术发展而不断发展；将会出现更多的学科分支和内容扩充。4）MEMS的器件种类举例（P. 126）：IC：信号处理微传感器：敏感检测各种力学、热学、磁学、光学、化学和生物学参量；微执行器：微电动机、微齿

5、轮、微泵、微阀门等微型构件：微梁、微探针等；微机械光学器件：微晶阵列、微光扫描器、微光斩波器、微光开关等微机械射频器件（RF MEMS）：开发3G通讯技术器件微真空电子器件：场发射器件、照明器件、微电子传感器等微能源/动力源：刚起步，发展潜力大二、纳米级精密测量技术（2）1、纳米级尺寸精度与位移的测量方法1）常规测量方法的局限：常规测量手段：机械量仪（直尺、游标卡尺、千分尺等）、机电量仪、光学显微镜，测量局限：测量分辨率和测量精度不够、容易损伤被测表面2）基于激光/X射线等的新型光干涉纳米测量技术：特点：非接触式测量技术技术之一：双频激光干涉法纳米级分辨率和较高的测量精度；仍然易受环境因素的干

6、扰：如温度、气压、湿度和气流等技术之二：X射线（超短波长）干涉测量技术近年新发展的一种技术；具有分辨率高、测量范围大的特点；二、纳米级精密测量技术（3）1、纳米级尺寸精度与位移的测量方法二、纳米级精密测量技术（4）1、纳米级尺寸精度与位移的测量方法布拉格方程：2dsin=k二、纳米级精密测量技术（5）2、纳米级精度的多维尺寸测量1）应用：超精密加工、超精密零件测量2）超精密坐标测量机二、纳米级精密测量技术（6）2、纳米级精度的多维尺寸测量3）超精密机床的多坐标在线测量系统二、纳米级精密测量技术（8）3、纳米级表面形貌的测量5）测试技术之四：激光测量通过激光照射表面时获得的干涉图像进行分析二、纳

7、米级精密测量技术（9）4、超精密测量的环境条件1）超精密测量的要求：恒温条件、隔防振条件、空气洁净条件、湿度条件、噪声条件、光照条件、防静电条件等2）恒温条件：国际上测量温度标准：20作为长度测量的标准温度高精度测量和超精密加工必须保持严格的恒温条件测试条件：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才能进行测量或者加工；温度影响：测量/加工工具与样品的热膨胀系数（10-6-10-8）不同，温度波动等变化必然造成误差二、纳米级精密测量技术（11）4、超精密测量的环境条件美国LLL实验室的LODTM超精密机床：极为严格的恒温控制技术（恒温水浇淋机床发热部分）恒温水的温度：20

8、0.0005机床恒温水平：200.005二、纳米级精密测量技术（12）4、超精密测量的环境条件3）消振和隔振条件：控制要求：高频振动较容易控制和消除，低频率振动比较麻烦低频振幅控制在0.125微米以下控制技术防振地基：加隔振沟隔振器：弹簧隔振器/支撑/悬挂；橡胶隔振器；空气弹簧隔振器组合隔振器二、纳米级精密测量技术（14）4、超精密测量的环境条件4）空气洁净条件：美国209D的空气洁净度等级控制：主要增加了0.3微米、0.2微米和0.1微米直径的尘粒数目控制要求三、微机械/MEMS与制造技术（1）1、微机械/MEMS的提出2、理论基础3、材料基础4、技术基础5、部分器件/系统简介（略）三、微机

9、械/MEMS与制造技术（2）1、微机械/MEMS的提出1）微机械的分类：小型机械：1毫米 100毫米；微型机械：1-10微米 1毫米；纳米机械：1-10纳米 1-10微米（超微型机械）2）MEMS（微型机电系统）广义地，统称微型机械三、微机械/MEMS与制造技术（4）1、微机械/MEMS的提出4）MEMS的发展MEMS的研发历史50年代提出概念，60年代开发了微型传感器，70年代欧美公司规模介入研究80年代开始，欧美国家全面展开研究美国将航空航天、通讯和MEMS列为国家的三大科研重点，并有30多个有名的MEMS研究团队；欧洲目前有数百所院校、研究单位和公司进行MEMS的研究；日本1991-20

10、00年实施了250亿日元的“微型机械技术”研究开发计划不同国家MEMS的不同称呼美国（MEMS）：在半导体集成电路工艺技术基础上延伸和拓展而来，称为微电子机械系统技术（Micro Electro-Mechanical System）欧洲：微系统（Microsystem）日本：微机器（Micromachine）三、微机械/MEMS与制造技术（5）1、微机械/MEMS的提出5）MEMS的产业发展前景。应用领域：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、日用产品等产业规模与增速统计报告一：受欧洲共同体的支持并拥有近400个产业和学术成员单位的NEXUS（多功

11、能微系统高级网络）预测，MEMS产业的全球市场将从2000年的300亿美元增加到2005年的680亿美元，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的微结构产品；或者理解为MEMS及其相关产品。因而，NEXUS估计的销售额要比美国市场研究公司的数字大好几倍。统计报告二：美国旧金山RogerGraceAssociates的调查预测2000年M3（MEMS、Microsystems及Micromachining的总称）市场规模142亿美元，2004年市场规模达304亿美元，综合平均增长率达21%。以IT/外围设备及医学/生化产品为主要应用，两者占市场总值的68%，但若

12、以市场潜力来看，则以通讯产品的应用最具增长潜力。三、微机械/MEMS与制造技术（5）1、微机械/MEMS的提出统计报告三：拥有包括CorningIntelliSense、Honeywell、Intel和Xerox等22家会员公司的MIG （美国微机电系统产业协会，MEMSIndustryGroup）预测，MEMS市场规模从2000年20-50亿美元增加到2004年的80-150亿美元，年均复合增长率75-86%；2004年平均每个美国人拥有5个MEMS器件。报告同时指出，未来20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材料，还要将MEMS与电子、信息等技术结合产生新的综合

13、功能。统计报告四：美国市场研究公司In-Stat/MDR指出，微机电系统市场由2001年39亿美元增长到2006年的96亿美元，复合年增率约为19.7% 。微机电系统结构通常采用的MEMS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增长率将会高于MEMS的复合年增率。2006年以前，通讯和消费市场等复合年增长率分别达151.4%和42.2%。三、微机械/MEMS与制造技术（6）2、理论基础1）MEMS的发展的理论基础MEMS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，表面力等作用）支配；在新的物理学等

14、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MEMS系统2）物理参量的微尺寸效应A、器件特征尺寸的微尺寸效应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（见后页附表，从-1次方到5次方变化）B、运动参数受尺寸效应影响的分析器件尺寸越小：则响应越快、动能更小（器件操作的耗能小）、惯性很小（灵敏度高）（见后页附表）三、微机械/MEMS与制造技术（7）2、理论基础三、微机械/MEMS与制造技术（8）2、理论基础三、微机械/MEMS与制造技术（9）2、理论基础三、微机械/MEMS与制造技术（10）2、理论基础3）MEMS的微机械学理论基础A、微机构的机械特征基本

15、上依赖于材料的物理特性，见附表B、微摩擦学（P.133-P.138）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C、微构造的振动特性4）MEMS的微热力学理论基础：温度特性分析5）MEMS的微流体力学理论基础A、微通道中 液体/气体的微流体学B、微通道中的边界效应三、微机械/MEMS与制造技术（11）2、理论基础三、微机械/MEMS与制造技术（12）3、材料基础1）MEMS使用材料的类别。结构材料：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/多晶硅、Si3N4 Al2O3等陶瓷材料、金属材料等功能材料：具有并实现特定功能要求的材料，如压电（压力-电压）、光敏（

16、光照-电流）、形状记忆材料（温度-形状）等智能材料：具有传感、致动/驱动、控制等方面的功能以复合材料的形式存在：将多种功能材料复合在特定基体/母体材料（碳纤维基体）中三、微机械/MEMS与制造技术（13）3、材料基础2）MEMS使用的结构材料。三、微机械/MEMS与制造技术（14）3、材料基础3）MEMS使用的功能材料。三、微机械/MEMS与制造技术（15）3、材料基础3）MEMS使用的功能材料。三、微机械/MEMS与制造技术（16）1）MEMS的系统组成基本技术4、技术基础三、微机械/MEMS与制造技术（17）4、技术基础2）MEMS的设计技术涉及学科技术领域：机、电、光、热、磁、声、生物等

17、技术领域，主要采用的技术：微结构设计数据库，有限元和边界分析，CAD/CAM的设计、仿真运行和模拟技术，微系统建模、实验验证等技术，同时还包括微小型化带来的相关基础理论研究，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。三、微机械/MEMS与制造技术（18）4、技术基础3）MEMS的制造技术目前，MEMS制造采用的三大主要技术路径：A、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；B、以德国为代表发展起来的LIGA技术；C、以日本为代表发展的精密加工技术。主要采用的技术（仅列出3种，还有许多！）：集成电路制造技术：包括光刻、掺杂、外延、多层加工、

18、重复定位、刻蚀、键合、检测LIGA技术（P. 130）：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、三维立体复合微细加工技术采用的材料种类范围大：金属/合金、陶瓷、高分子最大尺寸1000微米，加工精度0.1微米STM的原子操纵和纳米级技工技术：三、微机械/MEMS与制造技术（19）4、技术基础4）MEMS的装配与检测技术MEMS的装配技术（P. 132）：尺寸小、重量轻、精度高：不能采用人工直接装配特殊的装配系统：主从装配系统：自动化装配系统：使用微机械手装配：MEMS的检测技术（P. 132）：目前还无法实现在线、实时的检测：主要的测试技术分类（P. 132）：材料性能的测试技术加工过程参数测试技术芯片基本功能测试技术三、微机械/MEMS与