第五章纳米机械学

5纳米机械学随着现代科学技术的发展，人们在不断追求机械装置的小型化、微型化，希望以尽可能小的能耗以及最少的物质使用来满足生物、医学、航天航空、数字通讯、传感技术、灵巧武器等领域日益增长的要求。20世纪60年代以来，微电子技术渗透到机械工程各个领域，机电一体化给机械装置的系统结构和性能方面都带来了革命化的改变，也大大地促进了机械装置微小型化的发展。特别是20世纪80年代中后期，有关机械及机电系统微型化技术的研究广泛兴起，形成了所谓微型机械或称微型机电系统(microelectro-mechanicalsystem，MEMS)的研发热潮。美国、中国称微型机械微微型机电系统（MEMS），欧洲则称为微系统（microsystems），而在日本则往往将其叫做微机器（micromachine）。近来，将集成光学中的一次阿概念及研究成果也引入到微型系统中，又出现了微光机电系统（Micro-OptoElectro-MechanicalSystems，MOEMS）的概念。随着系统中关键不见尺寸的不断减小，整个系统的工作原理、设计理论及方法等都将发生很大的变化。目前，也将系统体中关键部件的特征尺寸为纳米尺度的微型机电系统称为纳机电系统（nano-electromechanicalsystems，NEMS）。在上述这些系统发展的同时，作为研究微型机械工作原理和设计理论与方法的纳米机械学(nanomechanics)或称微机械学(micromechanics)得到迅速发展并成为机械科学技术中的前沿领域。§5.1纳米机械学的范畴、组成和发展一、从小型机械到微型机械20世纪80年代开始的机械装置小型化过程中先后研制出两类机械，即小型机械(miniaturemachine)和微型机械(micromachine)。通常认为小型机械是传统机械简单地相似缩小，它在工作原理、结构材料和设计理论等方面大体上可以沿袭传统机械学。而微型机械则是在一种崭新的设计思想指导下，随着整个纳米科技发展而来的原理和构造特殊的机械装置。表l简略地说明了这两类机械的差异。表l小型机械与微型机械小型机械微型机械尺度从100μm至100mm从1μm至1mm材料金属、高分子聚合物、陶瓷硅、金属薄膜、高分子聚合物、陶瓷构造三维立体多层的二维平面、三维立体驱动小型电机、压电晶体、SMA薄膜静电电机、压电晶体、SMA薄膜、微驱动器加工方法超精密加工、电火花加工、激光加工、湿式腐蚀、离子束加工腐蚀、表面显微加工近年来，也有学者提出按照尺度将微小机械分为三类，即1mm至100mm为小型机械；10μm至lmm为微型机械；而l0nm至10μm为超微型机械(submicromachine)。微机械学的发展经历了两个阶段。最初，人们按照传统机械学的原理和方法开发小型机械。然而，在研制过程中发现，随着机械结构尺寸的不断缩小，构件可受到的外载荷和体积力变得次要，而构件间的摩擦力和其它表面力成为影响机械性能的主要因素，因此，微型机械的力学系统特征与传统机械不同。此外，材料小型化以后的物理性质及其对环境变化的响应也将有很大变化。所有这些促使人们认识到传统机械学对于微型化机械设计已不适应，而必须从新的构思出发，借助于纳米科技开发出与传统机械的结构、材料、功能和原理不同的机械装置，这样，微机械学的发展进入了第二阶段，即建立纳米机械学研究的阶段。二、微型机械的发展现状美国是对微型机械进行研究最早的国家。斯坦福大学、麻省理工学院、加利福尼亚大学伯克利分校、犹他大学、威斯康辛大学等都投入了大量人力物力从事微型机械的研究，并取得了许多可喜的研究成果。其中，斯坦福大学于1965年接受斯坦福医学院的要求，开始利用硅片腐蚀方法制作脑电极阵列的探针，并取得成果。后来，又相继研制出直径20μm，长度150μm的铰链连杆机构，210μm×l00μm的滑块机构，转子直径100μm的静电马达（见图5-1）和流量为20ml/min的液体泵。加利福尼亚大学伯克利分校试制出直径60μm以及齿轮驱动的滑块和灵敏弹簧。威斯康辛大学制造出世界上最小金属齿轮，其直径只有l00μm。美国贝尔实验室也开发出直径400μm的齿轮机构。麻省理工学院研究出三自由度闭环平面机构操作器，可望应用于低力矩的精密定位。美国国会已把微型机械列为21世纪重点发展的学科之一。图5-1直径为100μm的微型马达日本对微型机械的研究与开发给予了足够的重视，起步虽晚于美国，但进展相当快。1989年成立了微型机械研究会，集中了日本学术界和产业界的半导体、医疗器械和医学方面的研究人员进行开拓性的全面研究和开发。东京大学、名古屋大学、大阪府立大学、日本东北大学等单位都先后开展了微型机械的研究工作。其中，东京大学成立了精密电于学和精密加工技术研究小组，专门对微型执行机构和超精密加工技术进行开发。该校在微细加工工具与微细加工方法等方面取得了进展，实现了直径2.3—10μm的微孔加工，50μm的微孔加工，并研制成功1cm3大小的爬坡微型机械装置。日本东北大学工程系研制出控制微量流体的微型泵和两种流体无脉动的微型泵。早稻田大学开发出用形状记忆合金制作的微型机器入，他们研制的薄层TiNi合金是一种可以双向、全圆活动的可逆形状记忆合金，非常适合于制作微型动作器。通过控制若干个微型动作器可以实现机器人多自由度运动。在日本，每年举行一次微型机械“爬山运动比赛”，并已举行五次MicroMachineandHumanScience国际会议，以此来推动微型机械的发展。德国对微型机械的研究可以说与美国、日本并驾齐驱，并有自己的特色。90年代初，前联邦德国研究技术部将微型机械系统工程列为新开发的重点项目，为之提供了4亿马克的经费。1994年又投入6亿马克。现由德国工程师协会和德国电工协会下属精密工具技术委员会统一协调微型机械的研究与开发，组织全德的大学、研究所和企业，划分为5个大组进行研制。德国已取得了令人注目的进展，他们创造了LIGA工艺，制成了悬劈梁执行机械以及微型泵。利用电流体力学效应开发了微型液压泵，还研制出几种光学器件。卡尔斯鲁厄核研究中心微结构研究所于1990年制成世界上第一台微型涡轮机，其转子直径为0.1nm。德国已将微型机械列入大学的必修课程。欧洲其他国家如英国、期士、瑞典、荷兰、丹麦、挪威等国都在积极从事微型机械的研究。如英国沃里克大学研制出的“纳米粗糙度仪”能测出物体表面1nm的变化。我国微型机械研究的起步并不算晚。1988年国家自然科学基金委批准东南大学静电微马达方面研究的基金申请，从此开始了微型机械某些领域的研究。上海冶金技术研究所、清华大学、长春光学精密机械研究所、上海光学精密机械研究所等单位在微型齿轮刻蚀、微型气轮机、静电微型马达、压电微型马达等方面都取得了可喜的成果。中国科学院和国家自然科学基金委已为微型机械的研究立项，还设立了两个重点研究项目。最近，国家科委已把微型机械列为“攀登计划”，作为国家重点支持的应用基础研究项目之一，投资500万人民币用于此项目的研究。长春光学精密机械研究所成立了中国第一个微型机械工程研究室，清华大学成立了微米／纳米技术研究中心。虽然目前我国在微型机械方面的投资、技术基础方面与经济发达国家相比差距还很大，但在微型机械方面的研究正在形成自己的力量和技术方向，有望在微型机械领域的国际竞争中占有一席之地。微型机械的发展与纳米加工和测控技术的不断完善密切相关。纳米加工技术包括超精密切削加工、化学腐蚀、能量束(光束、电子束、离子束)加工以及扫描隧道显微镜加工等。近来，德国卡尔鲁斯核研究中心的微型机械研究所开发成功一种名为LIGA工艺的新式微细加工方法，它是X射线深层刻蚀、电铸成型和塑料模铸的组合，目前已用来制造静电电机、硅齿轮和传感器中的膜片。LIGA工艺与大规模集成电路制作技术相结合，可以制作成各种具有广泛用途的微型结构。近年来，在微型机械研究中出现一个新的趋势，即发展机电组合的系统，被称为微型机械电子学。利用大规模集成电路的微细加工技术，将执行机构、驱动器、传感器、控制器等集成在一个多晶硅片上，它既可以将传统的无源机构变为有源机构，而且可以制成一个完整的机电一体化的微机电系统，整个系统的尺寸有可能缩小到几毫米至几百毫米范围。目前，国外已着手研究采用类似于制造芯片的光刻工艺在硅材料上刻蚀微机械构件，如阀门、齿轮、弹簧、杠杆和悬臂、滚动轴承等。三、纳米机械学的范畴与组成在微机械研究中，随着纳米加工、材料处理和微测控技术等的发展，人们已制造出各种微型机械零件、微型电机与微能源、驱动器、传感器等器件，并利用这些器件组合而成的微型机器入。然而，将各种器件有效地组合成具有一定功能的机械系统就需要发展纳米机械学研究。通常机械工程包含机械学和机械制造学两大学科，它们分别对应于机械系统从构思到实现所经历的设计和制造两个阶段。纳米机械学的任务就是以微型机械及其系统的设计为目标，研究各组成单元的工作原理、特性和设计理论与方法；通过创造性思维过程，规划出符合社会、生产和科学技术发展所需要的微型机电系统的组成结构；并对系统进行功能综合和定量描述其性能。如上所述，微型机械不是传统机械单纯地在尺度上的相似缩小，而通常是指可以成批制作的集合微机构、微驱动器、微能源以及微传感器和控制电路、信号处理装置等于一体的微型机电系统。因而它远远超出了传统机械的概念和范畴，而是基于现代科学技术，并作为整个纳米科技重要组成部分和用一种崭新的思维方式与技术路线指导下的产物。由于微型机械在尺度、构造、材料、制造方法和工作原理等方面都与传统机械截然不同，因而作为微型机械设计基础的纳米机械学在学科基础、研究内容和研究方法等方面也与传统机械学不同。纳米机械学具有独特的学科系统而构成一门新兴学科。相对于传统机械而言，微型机械具有体系小、重量轻、能耗低、集成度高和智能化程度高等一系列特点。因此，纳米机械学的研究内容不仅与微电子学密切相关，而且还广泛涉及到现代光学、气动力学、流体力学、热学、声学、磁学、自动控制、仿生学、材料科学以及表面物理与化学等领域，所以纳米机械学又是一门多学科的综合技术。根据微型机械的特点和发展情况，现阶段纳米机械学研究主要包括：研究机械中运动变换和动力传递，以及机械系统在运动过程中动态特性的微机构学；研究适用于制造微型构件而性能独特的材料及其在环境影响下的变形响应和失效规律的微结构材料力学；以及从原子、分子尺度出发，研究相互运动接触界面上的作用、变化与损伤机理和对策的纳米摩擦学或微摩擦学。此外，还有将微机械学应用于研究特定机械系统的如微型机器入学等。应当指出，随着微型机械的发展，纳米机械学将会不断扩充其研究内容而出现更多的学科分支。四、纳米机械学研究的特点与展望根据微型机电系统的研究现状和发展趋势，以下将从微型机电系统的特征出发，分别讨论微机构学、微机构材料力学、纳米摩擦学三个学科领域存在的关键问题和由此而提出的研究方向。1．微机械学(含微机构动力学)微机构是微型机电系统的主要组成单元，要求在微小空间内有着能量传递、运动转换和调节控制等功能，以实现规定的动作和精确度。微机构设计通常有以下主要特点：①微型机械研制的难点之一是通常不可能从外部连续地获取较大的能量，因而要求微型机械实现有源驱动，即微能量装载于各种活动的微型装置中，并提供原动力。微能量主要有薄膜光电池和单体微电池，目前薄膜光电池的厚度已经达到微米量级，人们正在研究具有高功率密度和高储能密度的单体微电池。微型机械的动力可以来源于微电机或者微驱动器，由它们提供旋转运动或直线运动。以微型马达为中心的微型驱动器的研究一直是微型机械研究的核心内容，并在一定程度上是体现一个国家微机械发展水平的重要标志。到目前为止，人们已经设计了五类微电机，即静电电机、超声电机、电磁电机、谐振电机和生物电机。其中，静电电机应用较多，其运动方式可以是同步式、摇摆式或摇摆步进式。由于微电机切割磁力线的能量极微弱，故依靠静电力驱动，即依靠电极上分布电荷产生的吸力和斥力驱动。通过转换静止电极和运动电极上的电荷，可以使转子连续运动，转速可达15000rpm甚至更高，微机