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1、哈尔滨工业大学机械电子工程教研室哈尔滨工业大学机械电子工程教研室第10章微系统基本概念第第1010章章 微系统简介微系统简介主要介绍有关微系统的基本概念主要介绍有关微系统的基本概念微机械与传统机械系统的不同点微机械与传统机械系统的不同点微器件（机械）的加工方法微器件（机械）的加工方法 随着微纳米科学与技术随着微纳米科学与技术(MicroNano 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
2、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，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的学科之一，美国国家基金会也拨巨资开始了微机械
3、的研究；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250亿日元的微机械研究计划；亿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、德两国组织实施。要的研究内容，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，国家科在我国，微机械的研究也逐渐得到重视，国家科委、国防科工委、国家自然科学基金委等部门将其委、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。列为重点发展项目。微机械国内外现状微机械国内外现状美国：美国：MEMSMEMS (Micro El
4、ectroMechanical System)(Micro ElectroMechanical System)微机电微机电系统系统日本：日本：Micro-MachineMicro-Machine，微机械，微机械欧洲：欧洲：MicroSystemsMicroSystems，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 微机电系统微机电系统（MicroelectroMechanicalSystems,MicroelectroMechanicalSystems,MEMSMEMS）是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉）是在微电子
5、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技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理的重大科技领域之一。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。目前，全世界有大约的应用前景。目前，全世界有大约600600余家单位从事余家单位从事MEMSMEMS的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微
6、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。内的几百种产品，其中微传感器占相当大的比例。微机电系统微机电系统1 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 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
7、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-MEMS1.1.什么是微机电
8、系统什么是微机电系统 微机电系统微机电系统一般包括一般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电子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。集成线路组成的微机电器件与装置。微型机械在微型机械在微机电系统中依据特征尺寸，微机电系统中依据特征尺寸，微机械可微机械可分成分成 1mm-10mm 微小型机械微小型机械 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 以微机械为研究对象的微机电系统技术涉及多以微机械为研究对象的微机电系统技术涉及多种学科种学科,
9、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,是一是一个多学科、高技术的边缘学科。个多学科、高技术的边缘学科。2.2.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 微机械的一个重要特点是微机械的一个重要特点是“微微”，而随之带来的是，而随之带来的是微机械的尺寸缩小所产生的微机械的尺寸缩小所产生的尺寸效应尺寸效应现象，即随着尺寸现象，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度缩小，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
10、理论不再适用。所以微时，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。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、摩擦和粘附都有材料性能、机械特性、摩擦和粘附都有影响。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 (1)(1)微微机机械械中中起起主主导导作作用用的的力力是是表表面面力力。微微型型机机械械体体积积小小、重重量量轻轻,因因此此表表面面力力与与体体积积力力相相比比成成为为主主导导作作用用的的力力。故故随随着着尺尺寸寸的的缩缩小小,静静电电力力与与重重力力相相比比成成为为主主导导作作用用力
11、力,所所以以微微机机械械常常用用静静电电力力驱驱动动。与与普普通通机机械械相相比比,摩摩擦擦力力对对微微机机械械影影响响比比重重力力更大一些。更大一些。(2)(2)微微机机械械并并不不是是传传统统机机械械的的模模拟拟缩缩小小。设设计计微微型型机机电电系系统统并并不不是是追追求求复复杂杂的的机机械械结结构构,而而是是着着眼眼于于用用多多个个简简单单的的机机械械元元件件、传传感感器器和和人人工工智智能能的器件完成复杂的工作。的器件完成复杂的工作。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 (3)(3)在在能能源源供供给给上上,如如果果微微型型机机械械系系统统具具
12、有有移移动动和和转转动动功功能能,电电缆缆就就会会成成为为运运动动的的障障碍碍,所所以以微微机机械械一一般般采采用用静静电电力力供供能能，或或者者使使用用静静电电力力激激励励供供能能。因因此此,原原有有适适用用于于传传统统机机械械的的方方法法和和原原理理对对于于微微型型机机械械已不再适用。已不再适用。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5 5 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5 5 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
13、230um第十章第十章 微系统简介微系统简介5 5 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 5 微系统的实例微系统的实例微轴承微轴承弹簧，厚弹簧，厚3um，间隙，间隙3-4um第十章第十章 微系统简介微系统简介5 5 微系统的实例微系统的实例微弹簧微弹簧微齿轮微齿轮第十章第十章 微系统简介微系统简介5 5 微系统的实例微系统的实例微齿轮组微齿轮组由由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
14、系统简介5 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 微传感器是采用微电子和微机械加工技术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，制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量
15、轻、成本低、功耗低、可它具有体积小、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，在微米量级的特征尺寸使能化的特点。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器所不能实现得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。的功能。1.1.微传感器微传感器第十章第十章 微系统简介微系统简介2.2.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/信信号处理单元的信号转换为力、转矩、位移和相号处理单元的信号转换为力、转矩、位移和相位等物理参数输出。位等物理参数输出。第十章第十章
16、 微系统简介微系统简介 工作原理是将其他能量（一般是电能）转换为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：机械能。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、磁致伸磁致伸缩缩式驱动、式驱动、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、气泡气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驱动等。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（
17、变形能、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动能）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。在估算这种微执行器产生的力时，往往需要忽略静电力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的非线性关系。与施加电压之间的非线性关系。第十章第十章 微系统简介微系统简介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）的逆压电逆压电效应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
18、较复杂，而且在电压驱动下位制作工艺比较复杂，而且在电压驱动下位移很小，为了得到较大的位移，可采用双压电晶体片或多层压移很小，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。电陶瓷。第十章第十章 微系统简介微系统简介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)具有形具有形状记忆效应，即这种合金在高温定形后，冷却到较低状记忆效应，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；在这种状态温度，
19、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，并恢复到高下稍加热，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，就好像合金温下所固有的形状，就好像合金“记住了记住了”高温状态高温状态下所赋予的形状一样，所以称为形状记忆合金。下所赋予的形状一样，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致动类型致动原理作用范围作用力响应
20、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 25cm/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SMA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三、微结构分析时应
21、该注意的问题三、微结构分析时应该注意的问题1大变形及变形的非线性大变形及变形的非线性2残余应力效应残余应力效应3尺度效应尺度效应4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第十章第十章 微系统简介微系统简介三、微系统的加工三、微系统的加工微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1.1.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
22、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1 1）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，其加工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）。方法主要是蚀刻，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）表面微加工制作两维结构制作两维结构 2）体微加工）体微加工制作三维结构制作三维结构第十章第十章 微系统简介微系统简介2 2）LIGALIGA加工
23、加工 微系统技术中由集成电路光刻技术、电化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学电铸技术、及高分子成型技术等整合的微光刻电铸模造刻电铸模造 (LIGA)(LIGA)工艺，是批量生产高深宽比工艺，是批量生产高深宽比微组件的最佳方法。标准的微组件的最佳方法。标准的 LIGA LIGA 制程使用同制程使用同步辐射步辐射 X X 光为光刻源，可制作次微米精度之微光为光刻源，可制作次微米精度之微结构，但因其制程成本高、程序复杂、时程长，结构，但因其制程成本高、程序复杂、时程长，使得以紫外光、激光作为光源的类使得以紫外光、激光作为光源的类 LIGA LIGA 工艺工
24、艺成为另一种发展趋势。成为另一种发展趋势。第十章第十章 微系统简介微系统简介LIGALIGA工艺实例工艺实例第十章第十章 微系统简介微系统简介3 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4 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
25、十章第十章 微系统简介微系统简介微细电火花加工微细电火花加工 电火花加工由于其非接触加工的特点，作为一种有前途的微细加电火花加工由于其非接触加工的特点，作为一种有前途的微细加工方法引人注目。实现微细电火花加工的关键在于微小电极的在线工方法引人注目。实现微细电火花加工的关键在于微小电极的在线制作、电极的精密伺服进给、放电能量的微小化、以及加工状态的制作、电极的精密伺服进给、放电能量的微小化、以及加工状态的检测控制等。检测控制等。第十章第十章 微系统简介微系统简介微细线切割加工的零件微细线切割加工的零件第十章第十章 微系统简介微系统简介5 5）激光微细加工）激光微细加工象硅、金刚石、石英、人造金刚
26、石、玻璃、象硅、金刚石、石英、人造金刚石、玻璃、陶瓷和硬金属等采用普通方法很难加工，可以陶瓷和硬金属等采用普通方法很难加工，可以采用激光加工。采用激光加工。对激光器的能量、光学系统、工作台的精度对激光器的能量、光学系统、工作台的精度要求很高。要求很高。有些加工还需要真空或冲入某种气体。有些加工还需要真空或冲入某种气体。第十章第十章 微系统简介微系统简介微系统的封装（装配）微系统的封装（装配）v微系统的封装（装配）是关键环节，对微系统微系统的封装（装配）是关键环节，对微系统寿命、可靠性等起关键作用。寿命、可靠性等起关键作用。v微系统封装有三个等级：微系统封装有三个等级：芯片级封装芯片级封装/器件级封装器件级封装/系统级封装系统级封装v主要技术：主要技术：芯片准备芯片准备表面键合表面键合引线键合引线键合密封密封第十章第十章 微系统简介微系统简介微系统的装配微系统的装配v象行星轮系、微马达、微涡轮等，要想将这些微零象行星轮系、微马达、微涡轮等，要想将这些微零件装配到一起，目前很困难，大多用手工操作。关件装配到一起，目前很困难，大多用手工操作。关于微装配的研究正在进行。于微装配的研究正在进行。第十章第十章 微系统简介微系统简介