微型机械的设计

第五节　微型机械的设计

微型机械是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，面临许多课题，涉及许多关键技术。当一个系统的特征尺寸达到微米级和纳米级时，将会产生很多新的科学问题。例如随着尺寸的减少，表面积与体积之比增加，表面力学、表面物理效应将起主导作用，传统的设计和分析方法将不再适用。微摩擦学、微力学等问题在微系统中将至关重要。

在微系统的研究工作方面，一些国内外研究机构已在微小型化尺寸效应、微细加工工艺、微型机械材料和微型构件、微型传感器、微型执行器、微型机构测量技术、微量流体控制和微系统集成控制以及应用等方面取得了不同程度的阶段性成果。微型机械加工技术是微型机械发展的关键基础技术，其中包括微型机械设计微细加工技术、微型机械组装和封装技术、微系统的表征和测量技术及微系统集成技术。

微型机械不是传统机械直接微型化，它远超出了传统机械的概念和范畴。微型机械在尺度效应、结构、材料、制造方法和工作原理等方面，都与传统机械截然不同。微系统的尺度效应、物理特性研究、设计、制造和测试等研究是微系统领域的重要研究内容。

一、微型机械加工技术领域的前沿关键技术

1.微型系统设计技术

其主要是微结构设计数据库、有限元和边界分析、CAD/CAM、仿真和拟实技术、微系统建模等，微小型化的尺寸效应和微小型理论基础研究也是设计研究不可缺少的课题，如:力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件材料性能等。

2.微细加工技术

此技术主要指高深宽比多层微结构的硅表面加工和体加工技术，利用X射线光刻、电铸的LIGA和利用紫外光刻的准LIGA加工技术;微结构特种精密加工技术包括微火花加工、能束加工、立体光刻成形加工;特殊材料特别是功能材料微结构的加工技术;多种加工方法的结合;微系统的集成技术;微细加工新工艺探索等。

3.微型机械组装和封装技术

此技术主要指粘接材料的粘接、硅玻璃静电封接、硅-硅键合技术和自对准组装技术，具有三维可动部件的封装技术、真空封装技术等新封装技术的探索。

4.微系统的表征和测试技术

此技术主要有微结构材料特性测试技术和微小力学、电学等物理量的测量技术，以及微型器件和微型系统性能的表征和测试技术、微型系统动态特性测试技术，还有微结构、微型器件和微型系统可靠性的测量与评价技术。

二、微型机械设计时注意的几个要点

1.微型机械中起主导作用的力是表面力

任何物体的体积力(如重力、电磁力)与特征尺寸的高次方(L³)成比例，而表面力与特征尺寸的较低的幂次成比例、如摩擦力(L²)、表面张力(L¹)、静电力(L^o)。微型机械体积小，重量轻，表面力与体积力之比相对增大，表面力与体积力相比成为起主导作用的力。故随着尺寸的缩小，静电力与重力相比较是主导作用力(机械的微小型化的尺寸效应)，所以MEMS中常用静电力致动。同样，与重力相比摩擦力的影响比普通机械为大。因此，包括滑动的可动部分，譬如齿轮、旋转的轴承等部分都不太适宜作为微型机械的器件。由此还可推断，就微小机械的三维移动而言，跳跃和飞行比步行或轮子好。

由于在微型机械中摩擦变得十分重要，所以设计有接触的机构时，不仅要考虑为实现运动所需的一定的附着或牵引(即足够的摩擦)，而且还要注意防止在需要有相对滑动的接触部位出现灾难性的附着和冷焊。此时，要适当改变接触表面成分或使用润滑剂。

2.微型机械不是传统机械的模拟缩小

传统机械各部件的复杂程度不均，用几何方式模拟缩小这样的结构，其复杂部分的微小化十分困难，高智能自动机械尤其不好实现。也许是因为高智能不适合微小机械。譬如，人的神经细胞为10¹⁰个，而昆虫的神经细胞为10⁵个，我们可以用小生物不具有很多的神经细胞这一点来理解微型机械的低智能。所以设计微型机电系统是不必追求复杂的机械结构。而是着眼于用多个简单的机械元件完成复杂的工作(包括带有简单的传感器和低的人工智能的器件)。

微型机械器件一般也做成一次性的、短时间使用的，不必追求较长的使用寿命。

3.能源供给

对于具有移动和转动的微型机械系统，电缆成为运动的障碍。所以一般不采用电缆供电，目前微型机械系统一般采用静电力供能，只需注意微型电池(或太阳能电池)能否输出足够的电压。

此外常用振动直接激励供能(压电、电磁及形状记忆合金致动)。

4.微型机械设计仍应遵循力学原理

能量守恒原理是万物变化必须遵守的规律，所以微型机械系统设计时同样要遵守。此外，当微型机械的尺寸小到分子尺寸数量级时，宏观力学定理——动力学基本定理(动量定理、动量矩定理和功能定理)仍然适用。

微型机械发展刚刚经历了十几年，但这一高新技术产品很快就显示了巨大生命力。作为大批量生产的微型机械产品，将以其价格低廉和优良性能赢得市场，在生物工程、化学、微分析、光学、国防、航天、工业控制、医疗、通讯及信息处理、农业和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。当前，作为大批量生产的微型机械产品如微型压力传感器、微细加速度计和喷墨打印头已经占领了巨大市场。目前市场上以流体调节与控制的微机电系统为主，其次为压力传感器和惯性传感器。1995年全球微型机械的销售额为15亿美元，到2002年，相关产品值已达到400亿美元。显然微型机械及其加工技术有着巨大的市场和经济效益。

微型机械是一门交叉科学，和它相关的每一技术的发展都会促使微型机械的发展。随着微电子学、材料学、信息学等的不断发展，微型机械具备了更好的发展基础。由于其巨大的应用前景和经济效益以及政府、企业的重视，微型机械发展必将有更大的飞跃。新原理、新功能、新结构体系的微传感器、微执行器和系统将不断出现，并可嵌入大的机械设备，提高自动化和智能水平。

微型机械的发展正方兴未艾。新理论、新工艺、新应用领域在不断地涌现，至今尚难形成完整的、系统的理论体系。也正因为如此，它给了我们很大的发展空间，它所蕴藏的巨大发展潜能和巨大的市场前景，吸引着我们为之求索，为之奋斗。据预测，21世纪发展的3个主要方面是:信息和通讯领域，医药卫生领域以及生物科技领域。微型机械作为一门新兴的交叉学科，在这3方面都大有用武之地，这就注定了微型机械在21世纪将成为最重要、最活跃的研究领域之一。