微型机械的兴起和应用

第一节　微型机械的兴起和应用

微型机械，即微机电系统(micro electronmechanical system，MEMS)，是20世纪末兴起的、21世纪初快速发展的高科技前沿领域，是当前一个十分活跃的工程科学。它涉及多学科的交叉:如物理学、现代光学、现代力学、化学、生物学等基础学科，以及材料、机械、电子、信息等各工程技术学科。

微机电系统有着广泛的应用前景，在全球范围内，市场呈指数上升的趋势。在我国也将成为国民经济的新的增长点，它在航天航空(图11-1)、汽车工业(图11-2)、生物医学工程、精密仪器、移动通信、国防科技等方面都有极大的发展潜力。

图11-1　微型双桨直升机与花生

图11-2　微型汽车与火柴

微机电系统的研究也将带动新的学科和新技术的发展，如微流体、微传热、微摩擦、微光学以及微型机械的设计原理和方法、微型机械的制作工艺、微型机械材料及其特性研究、微细测试技术和相应设备的研制等，已成为科技工作者关注的热点。

一、微型机械发展的起源

微型科技发展的源头可追溯到1959年12月的美国物理学会议上，1965年诺贝尔奖获得者、著名物理学家理查德·P.费曼博士(Richard P.Feynman)曾作过一次极富远见且具有开拓性的重要报告。他报告的题目是“Thereis Plenty of Roomat the Bottom”，即《实际上大有余地》。在报告中，他描述了微型机械制造技术，可用大型机器来制造比自己体积小的机器，而这较小的机器又可制造更小的机器，这是一条从Top到Down的从宏观到微观的发展途径。同时，他还论述了人们还可以按照希望的方式排列原子，即人们可以以原子、分子为模块，在纳米尺度上来构筑各种物质。这是一条不同于Top-Down的发展途径，而是一条由小到大的即bottom-up的新思路。也许，现在用他设想的方法制造微型机械还有许多具体的困难，但这掩盖不了他报告中闪光的论断——他天才地预见了微型机械和纳米技术的出现(图11-3)。

图11-3　微型齿轮与螨虫

异曲同工的是，中国科学技术大学设有钱学森院士倡议的“材料设计专业”，其专业的主导思想也是希望人们可以按照人类的要求去设计各种材料，构筑各种物质。钱先生的思想闪烁着同样的智慧光芒。

为了实现科学家们所表达的人类理想，科技工作者积极探索了40多年。因为在这40多年里，他们不仅要寻找适合的微型机械的加工技术。还要等待材料学、设计学、检测方法、控制理论、计算机技术和信息处理方法都达到相应的水平。可以预见，随着时代的发展，科技的进步，在不久的未来，微型机械将深入到生活的方方面面。

1962年第一个硅微型压力传感器问世。现在，硅压力传感器在汽车上的大量使用，极大地提高了汽车燃料的使用效率，在过去的20年里，平均从4km/L提高到12km/L，从而也降低了对大气的污染。其后开发出尺寸为50～500μm的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及连接件等微型机械。1965年，斯坦福大学研制出硅脑电极探针，后来又在扫描隧道显微镜、微型传感器方面取得成功。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60～12μm的利用硅微型静电机，显示出利用硅微加工工艺制造出可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力。

进入21世纪，微型机械有了长足的发展，国外发达国家在许多方面取得了令人注目的成果。不同于用纳米技术制造的像分子或原子那样大小的机械，微型机械是一种微米级装置或部件。美国能源部所属的桑迪亚国家实验室研制出微型发动机。该发动机的主要活动部件是一个只有花粉颗粒大小的齿轮，人们只能借助显微镜观察，其速度为每分钟35万转。

二、微型机械的实际应用

微型机械技术在许多技术领域大有可为。微型开关能大大提高现代光纤通信系统的性能，把信号传输到电脑和电话里;微型陀螺仪可以帮助汽车防止打滑和在森林里自由穿行而不迷失方向;在野外行军或作战的士兵，如果佩戴了采用微型机械——像手表那样大的无线电对讲机，就能始终与部队保持联系;微型传感器可用于监测心脏病患者发病时的血压和调节汽车发动机里汽油和空气的比例。

据报道，加州大学的科学家们已经花了4年时间研发这种名为“微型机械飞行虫”的小机器人(图11-4)。科学家们希望它能够像苍蝇那样不停拍打翅膀，并发出嗡嗡声，更希望它能够像苍蝇一样飞行。这一项目只是加州大学诸多微型研究项目中的一个，这些研究的目的只有一个——让这些飞行器可以在薄翼“翅膀”的帮助下，不断升高、快速飞行，还可以根据需要进行盘旋。这些飞行器的“翅膀”的拍打节奏和频率精度可与自然界的昆虫一致。研究人员希望这种飞行器能越小越好，以便能更为轻松地完成各种间谍侦察任务。

美国国防先进计划研究局认为这种飞行器侦察情报和监视的潜力非常大，因此为这种小型飞行器的研究提供了大部分的研究经费，并且同加州大学签署了一份250万美元的5年合同。他们希望科学家尽快拿出发明成品，投入军事用途。

近几年，美国科学家在研究生物飞行原理方面取得了重大进展。他们目前面临的挑战是如何运用这些知识，设计一种模拟苍蝇飞行动力学原理的飞行器。加州大学的科学家已经在这个方面作出了有益尝试，这种微型苍蝇飞行器所耗费的原材料只相当于一枚1角硬币大小，包括用只能在显微镜下才能进行折叠操作的不锈钢制成机体;每一个上面都安装有机翼。它的“翅膀”在1s内能够拍打200次，依靠3套不同的复杂机械装置来进行拍打翅膀、旋转操作。一只果蝇在空中做一次U形旋转要花40ms，拍打8次翅膀，而这种“机器苍蝇”则在同样时间内只需拍打5次翅膀就能够实现同样的操作。

加州大学伯克利分校的学者花了三年时间，研究自然界昆虫的特别飞行方式，并根据这种非稳定速度模式的气动学原理，制造了只有25mm宽(从一翼端至另一翼端)的微型机械昆虫(图11-5)。

图11-4　微型机械飞行虫

图11-5　微型机械昆虫

这种机械昆虫有类似同类生物的灵活胸腔结构，并在其中置有压电致动器，可做有力及高频率的振翅动作，只要装上锂电池或太阳能充电电池，便能像自然界中的昆虫一样自动不停地飞翔。