微纳光机电系统的仿生设计与制造方法..doc

项目名称： 微纳光机电系统的仿生设计与制造方法 首席科学家： 梅涛 中国科学院合肥物质科学研究院 起止年限： 2011.1至2015.8 依托部门： 中国科学院  二、预期目标 1、总体目标 本项目面向国民经济与国家安全领域对发展微纳光机电系统的重大需求，开展微纳光机电系统设计理论与制造方法研究，并运用仿生学原理为发展新型微纳光机电系统提供创新设计思路，以提升我国在微纳光机电系统方面的原始创新能力。通过本项研究将系统地建立微纳结构光机电特性的尺度效应模型，为微纳光机电系统提供设计依据。并针对跨微纳尺度加工的按需制造与工艺兼容性难点，系统地建立硅基微纳结构制造工艺流程，为实现微纳集成制造提供工艺基础。最后，以降噪微纳结构膜片、光导航微纳器件和爬行机器人微纳系统为对象，从结构、器件和系统三个层次建立微纳光机电系统的仿生设计与制造方法，并为减振降噪、自主导航和救援侦察等应用场合研制出新型微纳光机电系统实验样机。通过本项目研究还将带动一批国家和省部级重点实验室的建设，培养一批创新思维突出、专业能力坚实的优秀中青年人才，有可能在国际上形成一支引领仿生微纳光机电系统研究的创新团队。 2、五年预期目标 预计经过五年的努力，将从理论方法、技术实现到应用目标取得2?~?3项具有原创性的重要突破，使微纳光机电系统研究进入新的发展阶段，在国际相关研究领域取得领先地位。五年发表高水平论文200篇，出版专著2部，申请发明专利30项。在人才培养和队伍建设方面，造就出一批具有国际水平的跨学科学术带头人，培养出博士50名、硕士50名。 并取得以下具体成果： 在实验研究、理论分析和计算机模拟的基础上发展一套精确表征微纳结构的分析方法，建立典型微纳结构形成、组装和多场耦合响应的理论模型，为微纳光机电系统优化设计和制造提供分析与仿真模拟工具1套。 揭示多种动物特殊体表的微纳结构对粘附与脱附、减振降噪和光导航功能的关系，发现和筛选出4~6种高性能微纳形态结构，为降噪微纳结构、光导航微纳器件、爬行机器人微纳系统的仿生设计与制造提供生物学基础。 发展3~4种硅基微结构上纳米结构制造工艺流程，在硅片上实现微纳腔体结构、纳米光栅、微纳分叉柔性阵列等微纳功能结构的按需制造，为微纳光机电系统的结构制作提供工艺基础。 以壁虎、昆虫等生物的感知、控制与爬行能力为模仿对象，设计和制造出能够在天花板上倒立爬行的粘附爬行机器人系统实验样机。 以猫头鹰皮肤和覆羽的吸振降噪机理为模仿对象，发展硅基降噪微纳结构的设计与制造方法，制作出硅基降噪微纳结构膜片，吸振系数提高20%。 以沙蚁、蜣螂、响尾蛇为模仿对象，研制出硅基光导航微纳器件样机，实现日光、月光导航和红外目标探测功能，测角位置精度达到?0.2度，红外探测分辨率优于0.05K。  三、研究方案 1、学术思路 微纳光机电系统并不是简单地将普通的光机电系统缩小到微纳米尺寸就能够得到相应的性能，这时由于微纳尺度效应使许多原来对普通光机电系统没有太大影响的效应被凸显出来，甚至会占据主导地位，完全改变原有的特性，也可能带来特殊的新功能。因此，必须首先分析和了解力学、光学和电学等各种效应与微纳结构尺度之间的关系，才能有针对性地进行微纳光机电系统设计。 在尺度效应分析的基础对普通光机电系统进行微纳米化，是目前研制微纳光机电系统的主要思路，但是这种方法难以突破传统的思维定势，更难超越已经领先的科技发达国家，因此必须寻求产生跨越式创新的灵感，才能取得原始性创新成果，后来居上。仿生学正是为我们提供了这样的新机遇。 运用仿生学原理，借鉴生物组织中的微纳结构和各种光机电效应机理，以及生物在复杂环境中的感知、判断、捕食、伪装、规避和适应能力，能够为研制新型微纳光机电系统提供源源不断的创新思路。因此，需要深入研究生物组织微纳结构与生物的各种特殊功能之间的关系，这是“知其然”。同时，还要将这些生物效应与微纳尺度效应联系起来，建立数学模型，这就是“知其所以然”。这样就可以运用自如地选择合适的微纳结构进行模仿，在设计中抓住关键特征结构和尺寸。 然而，仅仅有好的思路是远远不够的，还必须有相应的加工制作方法，否则就只能是“有想法，没办法”。因此，必须进一步发展微纳结合的加工工艺。硅集成电路技术和微加工技术已经非常成熟，纳米技术也正在从纳米材料制备向纳米结构的按需制造发展，但是微米技术和纳米技术基本上是在各自独立的发展，其工艺兼容性没有得到解决。所以，应该重点研究硅基微米结构上的纳米结构按需制造方法，为研制微纳光机电系统提供工艺基础。 有了创新的思路、好的设计方法和制造工艺，还应该进行实验验证和应用。因此，我们选择了具有较好研究基础的降噪微纳结构膜片、光导航微纳器件和爬行机器人微纳系统进行试制，从结构、器件、系统三个层次对微纳光机电系统的设计和制