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机械原理

论

文

学院：机械与动力工程学院

专业班级：机电xxx

姓名：xxx

学号：xxx

微型机械浅论

专业班级：机电xxx姓名：xxx学号：xxx

一、微型机械概述

1.背景

科学技术向微小领域发展,由毫米级、微米级继而涉足纳米级,人们把这个

领域的技术称之为微米/纳米技术。微米/纳米技术使人类在认识和改造自然方

面进入一个新的层次,开发物质潜在的信息和结构能力,使单位体积信息处理和

运动控制的能力实现又一次飞跃。将在信息、材料、生物医疗、航空航天和工

业等方面产生重大影响。1962年微小器件的先驱——硅微压力传感器问世,其

主要技术基础是硅膜、压敏电阻和体硅腐蚀工艺。其后用硅加工方法开发出尺

寸为50μm～500μm的齿轮、齿轮泵、气动轮及连接件等微型机构。1987年

美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60μm～120μm的硅微静电电机,

主要技术基础是牺牲层腐蚀工艺和静电驱动,显示用硅微加工方法可以制作三维

可动的机电系统。日本通产省自1991年度开始实施为期10年、总投资250亿

日元“微型机械技术”大型研究开发计划。这两个举动对世界的微传感器、微执

行器和微系统的发展有重要影响。虽然第一个硅平面工艺专利发表于1952年,

但是直到20世纪90年代初,才出现用硅平面工艺生产带有信号处理电路的微

型加速度计(以AD公司为代表),主要设计基础是梳状结构和微电容检测电路,

实现了微小机械结构与电路的一体化集成。

2.定义

日本1988年使用“微型机械”一词,它是从大机器到制造小机器而发展起来

的。1989年日本通产省把它用作国家大型计划的名称。微型机械侧重于在不大

于1cm3的体积内制造复杂的机器。一些日本学者曾大致地这样划分:1mm～

10mm为小型机械;1μm～1mm为微型机械;将来有可能借助于生物工程和分

子组装实现1nm～1μm的纳米机械或分子机械。

二、微尺度系统的理论基础

早期的执行器尺度效应研究,建议选用静电、液压或气动驱动,例如当器件

尺寸由R=1mm减小到r=1μm时,不同的力或能量等减小的情况当特征尺寸

达到微米和纳米量级时,许多物理现象与宏观世界有很大差别,提出了很多新的

科学问题,如尺度效应、热传导、微流体特性、微光学特性、微构件材料性能、

微结构表面效应和微观摩擦机理,等等,有人称之为微科学。要发掘和利用微小

尺度现象的潜能,才有高层次的创新。新概念的微型双组元火箭发动机是微动力

系统PowerMEMS的一个范例。它由5-6片芯片叠在一起,共3mm厚,内有混

合燃烧室、喷口喷管、2个泵和2个阀以及冷却管道,是一多器件集成系统。

用液氧和乙醇作燃料。能产生15N的推力,推力重量比达1500∶1,是大火箭推

进器的10～100倍,反映了微系统的潜力。它可用于微小卫星的引力补偿和位

置保持、姿态控制和轨道控制、作为星际探险的动力装置、提供宇航员出舱活

动的载人机动装置(MMU)。最近美国MIT又提出利用阵列式微型火箭发射微

型航天器的设想,推力重量比比航天飞机主发动机大20倍。它涉及的理论和技

术基础有微发动机原理、微流动和微传热、微气动力学、微热动力学、在微空

腔中的相变和微燃烧、处于边界层的边界效应及多域耦合等。涉及的技术有微

泵、微阀、微管道、密封、耐高温材料等。MIT在硅片上制作出涡轮机,其目

标是1cm直径的发动机产生10W～20W的电力或0.05N～0.1N的推力,最

终达到100W。整个微型涡轮发动机包括一个空气压缩机、涡轮机、燃烧室、

燃料控制系统及电启动马达/发电机。

三、当前微型机械发展的特点

1.微型机械加工技术创新

微型机械加工技术是指制作为机械装置的微细加工技术。微细加工的出现

和发展早是与大规模集成电路密切相关的，集成电路要求在微小面积的半导体

上能容纳更多的