(麻省理工)多尺度系统设计-压电微机电系统：材料
单位名称长春光学精密机械与物理研究所单位代码80139
单位名称长春光学精密机械与物理研究所单位代码80139简介中国科学院长春光学周密机械与物理研究所（以下简称“长春光机所”）始建于1952年，是以知识创新和高技术创新为主线，从事基础研究、应用基础研究和工程技术研究以及高新技术产业化的多学科基地型研究所，要紧从事发光学、应用光学、光学工程和周密机械与仪器等领域的研究工作。
作为中国科学院规模最大的研究所，本所在57多年的进展历程中，在以王大珩院士、徐叙瑢院士等为代表的一批科学家带领下，研制出中国第一台红宝石激光器、第一台大型电影经纬仪等多种先进设备仪器，制造了十几项“中国第一”；先后参与了包括“两弹一星”、“载人航天工程”等多项国家重大工程项目，先后组建和援建了西安光机所、上海光机所、成都光电所、长春光机学院等10余家科研机构、大专院校和企业单位，并为其输送了2200多名各类专业人才。
共有22位在本所工作过的优秀科学家当选为中国科学院或中国工程院院士，并涌现出“知识分子的优秀代表”蒋筑英等众多英模人物；近年来，本所先后获得了“全国五一劳动奖状”（连续两次）、“中国载人航天工程突出奉献单位”、“国家科技进步特等奖”等荣誉称号和奖项，为我国国防建设、经济进展和社会进步做出了一系列突出奉献，被誉为“中国光学事业的摇篮”。
邓小平、江泽民、胡锦涛等党和国家几代领导人都曾到本所视察和指导工作。
本所持续凝练和提升创新目标，在国家科技创新战略、中科院知识创新工程等的推动下，近些年来本所在科技创新、产业进展、创新文化、队伍建设与人才培养等方面均取得了长足的进步，专门是本所的核心竞争能力得到持续提升，连续进展能力连续增强。
基础和应用基础研究工作稳步进展，并在各自领域中的学术地位得到了进一步加大，取得了若干具有自主知识产权的创新成果。
高技术研究领域持续开拓，突破了一系列关键技术，完成了一批国家重大任务，取得了以“神舟五号”、“神舟六号”有效载荷等为代表的一批重大科研成果，已成为我国航天光学遥感与测绘设备、机载光电平台及新一代航空遥感设备和靶场大型光测装备的要紧研究、生产基地，进一步巩固与增强了本所作为我国大型光测装备要紧研制基地的地位，同时在光电对抗、地基空间探测等领域的阻碍力明显增强。
压电式纳米发电机的原理和潜在应用
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特约专稿 感器都需要电源， 一般来说， 这些传感器的电源都是 直接或者间接来源于电池& 如果这些传感器能从生 物体内自己给自己提供电源， 从而实现器件和电源 的同时小型化， 这是科学家们一直所梦寐以求的& 因 此， 开发出能将运动、 振动、 流体等自然存在的机械 能转化为电能从而实现无需外接电源的纳米器件的 新型纳米技术具有极其重要的意义& 这一技术在大 大减小电源尺寸的同时提高能量密度与效率， 在集 成纳米系统的微型化方面将产生深远的影响& 最近， 我们利用竖直结构的氧化锌纳米线的独 特性质， 成功地在纳米尺度下将机械能转化成电能， 在世界上首次研制成功纳米发电机& 这一重大发现 .//0 年 1 月 23 开启了纳米科学和技术的新篇章， 日出版 的 美 国 4+)5,+5 周 刊 对 此 进 行 了 长 篇 的 报 道
［ 1］ ［ :］ ［ 0］ 类最 多， 如纳米线 、 纳米带 、 纳米条 、 纳米
环
［ 6］
、 纳米弓形结构
［ ;］
、 纳米螺旋结构
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等& 尽管大
量的研究已经证明纳米线及纳米器件、 纳米带有很 多应用， 但目前很少有人研究这些纳米体系对能量 的需求& 氧化锌纳米线之所以能完成机械能到电能的高 效转变， 与其同时具有半导体以及压电特性密切相 关& 常规的压电材料， 如 =8> 等， 通常为绝缘体& 尽 管将它们弯曲或压缩也能产生电势变化， 但由于它 们无法与金属形成具有单向导电性质的肖特基势
微型机电系统技术及应用研究
微型机电系统技术及应用研究一、微型机电系统技术的概述微型机电系统（MEMS）是一种结合微电子技术和机械工程学的新型领域，其通过微型化的设计和制造技术，将传统机械结构和微电子器件相结合，形成了微小的机电一体化系统。
微型机电系统技术是一门综合性技术，涵盖了微电子、纳米技术、微流体技术、光学技术、机电一体化技术等多个学科的知识。
它主要应用于机械传感器、微型电子器件、模拟信号处理器、微型加速度计等领域。
二、微型机电系统技术的工艺流程（一）MEMS芯片的设计MEMS芯片的设计过程是从需求分析、系统设计、器件设计、工艺设计、布图设计等方面入手进行的。
需要建立实体模型、分析模型，进行仿真和测试，并不断优化和改进设计。
（二）MEMS芯片的制造MEMS芯片的制造过程一般包括深度反相模法、LIGA工艺、光刻、涂覆、光阻显影、等离子刻蚀、熔合碳化硅、薄膜沉积、蚀刻等多个步骤。
（三）MEMS芯片的封装MEMS芯片的封装是保护器件、连接器件与外部电路的必要措施。
封装过程可以分为晶圆封装和单晶封装两种方式，包括封装底座、焊接、固定器件等多个步骤。
三、微型机电系统技术的应用研究（一）机械传感器微型机械传感器是MEMS技术应用最为广泛的领域，目前已广泛用于医疗、环境、军事、交通等领域。
例如，在医疗领域中，MEMS传感器可用于实时监测病人的脉搏、血压和呼吸等生命体征，为医护人员提供即时的信息。
（二）微型电子器件微型电子器件是MEMS技术的另一个重要应用方向，包括MEMS振荡器、MEMS电容器等。
这些器件的微型化和集成化将会使一些电子设备大幅度缩小，例如手机和手表等。
（三）模拟信号处理器模拟信号处理器是利用MEMS技术构建的一种新型信号处理器，可以将模拟信号进行转换、增强和分析等处理，广泛应用于工业自动化、环境监测、生命科学等领域。
（四）微型加速度计微型加速度计是MEMS技术在工业领域中的应用之一，可以实现对工业设备振动、冲击等数据的监测和控制，对于提高设备的精度和可靠性有非常重要的作用。
无机压电纳米纤维材料的应用
无机压电纳米纤维材料的应用首先，无机压电纳米纤维材料在能源领域中具有广泛的应用。
由于其具有很高的压电响应，可以将其用作压电发电器。
当外界施加压力时，无机压电纳米纤维材料会产生电荷分离，从而产生电能。
这种方法可以用于利用机械振动能、步态能等废弃能源，从而实现能量的回收和利用。
此外，无机压电纳米纤维材料还可以用于制备柔性电阻传感器，用于检测和测量力、压力、应变等物理量，广泛应用于机械控制、健康监测、智能装备等领域。
其次，在传感器领域中，无机压电纳米纤维材料也具有重要的应用价值。
由于无机压电纳米纤维材料具有高灵敏度和快速响应的特点，可以用于制备高性能的压力传感器、加速度计、声波传感器等。
这些传感器可以用于监测和控制工业过程中的压力、震动等参数，用于汽车安全系统、智能手机和可穿戴设备等领域。
此外，无机压电纳米纤维材料在储能领域中也具有潜力巨大的应用。
由于其具有优异的压电性能和高比表面积，可以用于制备高性能的压电超级电容器，并且具有较高的能量密度和功率密度。
压电超级电容器可以用于应对电网峰值需求、储能系统的能量采集和储存等领域，具有较宽广的应用前景。
同时，无机压电纳米纤维材料还可以应用于制备柔性电池，具有良好的机械稳定性和良好的电化学性能，可用于可穿戴设备、智能纺织品等领域。
最后，在生物医学领域，无机压电纳米纤维材料也得到了广泛的关注。
由于其具有良好的生物相容性和可调控的结构特性，可以用于制备纳米纤维支架，用于组织工程和再生医学，用于修复和重建受损的组织和器官。
此外，无机压电纳米纤维材料还可以应用于药物递送系统，在药物输送时可以通过施加压力、震动等方法来实现控制释放，具有较高的控制性和可调性。
综上所述，无机压电纳米纤维材料在能源、传感器、储能和生物医学等领域中具有广泛的应用价值。
随着纳米技术和制备技术的不断发展和改进，相信无机压电纳米纤维材料的应用前景将更加广阔，为各个领域中的科学研究和工程技术提供更多可能。
压电材料介绍及压电方程超声换能器
称为压电效应 F
+ + + + + + + + ++
实线代表晶片变形前的
情况，虚线代表晶片变 形后的情况
正压电效应示意图
1 压电学的简单回顾
压电效应的简单回顾
压电学的发展已经有了一百多年的历史
1880年，居里兄弟首先发现电气石的压电效应 1881年，居里兄弟实验验证了逆压电效应 1894年，Voigt指出，仅无对称中心的二十种点群的
压电复合材料发展速度很快，目前已被用于无损检测 、水声和医用超声换能器中，现在的B超诊断仪的探 头里所用的换能器几乎全部采用了压电复合材料
6 超声换能器
超声换能器
超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信 号转换成声信号或者将外界的声场中的声信号 转换为电信号的能量转换器件
目前压电陶瓷是超声研究中应用最广的材料
缺点是其性能与温度有关，机电耦合系数小，损耗大 ，介电常数很小，因此此类材料不适合制作发射型换 能器
压电复合材料
把压电材料（通常指PZT：压电陶瓷(锆钛酸铅)）和非 压电材料（高分子聚合物）按一定的方式相结合，就 成为了另一种新型材料，即压电复合物
压电复合物有两相材料组成，其特性和其组成材料的 特性及组成比例有关系，与纯粹的压电陶瓷比，压电 复合物具有低密度、低阻抗、低机械品质因数、高频 带、高的抗机械冲击性能和低的横向耦合振动等优点
受到压力作用时会在两端出现电压的晶体材料叫压 电材料
3 晶体（Crystal）
晶体
内部质点具有周期性排列的格子结构的固体 晶体的共性
均匀性：晶体内部各个部分宏观性质是相同 各向异性：晶体不同的方向上具有不同的物理性质 对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特
微光机电系统的设计及制造技术研究
微光机电系统的设计及制造技术研究摘要：微光机电系统（MEMS）是一种结合微机电技术和光学技术的前沿研究领域。
本文将深入探讨微光机电系统的设计及制造技术，并对其在各个领域中的应用进行分析。
1. 引言微光机电系统（MEMS）是近年来兴起的一种新兴技术，它将微电子技术、光学技术和机械制造技术有机结合起来，可以实现微型化、高精度和高效率的传感器和执行器。
在各个领域中的应用潜力巨大，因此对于微光机电系统的设计及制造技术的研究具有重要意义。
2. 微光机电系统的设计原理微光机电系统的设计原理依赖于微电子技术和光学技术的结合。
通过微机电技术，可以制造微小且高度集成的器件，实现对输入信号的传感和对输出信号的控制。
而光学技术则可以通过光学元件对光信号进行增强、处理和解析。
因此，微光机电系统能够实现对光信号的精确控制和分析。
3. 微光机电系统的制造技术微光机电系统的制造技术主要包括光刻技术、薄膜制备技术、微加工技术和封装技术等。
光刻技术可以创建微细结构，实现器件的定型。
薄膜制备技术用于制备传感器和执行器中的薄膜元件，如压电薄膜和热敏薄膜。
微加工技术则可以实现对器件的刻蚀、薄膜剥离等加工操作。
封装技术则可以将微光机电系统封装在一个小型化的封装壳体中，以保护系统并提供接口。
4. 微光机电系统在生物医学中的应用微光机电系统在生物医学领域有着广泛的应用。
例如，在微纳米粒子的操控和检测中，微光机电系统可以通过光学方法实现对微粒的操控和定位，以及对微粒的成像和检测。
此外，微光机电系统还可以应用于基因芯片和生物传感器等领域，实现对生物分子的检测与分析，为生物医学研究提供强有力的工具。
5. 微光机电系统在光学通信中的应用微光机电系统在光学通信领域也有着广泛的应用。
例如，在光纤通信网络中，微光机电系统可以实现对光信号的放大、调制和解调，提高光信号的传输性能。
此外，微光机电系统还可以应用于光纤传感器中，实现对温度、压力等物理参数的测量与监测。
微机电系统的设计与制造技术研究
微机电系统的设计与制造技术研究微机电系统（Microelectromechanical Systems，MEMS）是一种融合了微电子技术、微机械技术和物理学等多学科知识的新兴技术领域。
它通过在微尺度上制造出微小的机械结构和电子元件，实现了传感器和执行器的微型化，为现代科技产业带来了重大变革。
本文旨在探讨微机电系统的设计与制造技术研究，以期为读者对该领域有更深入的了解与认识。
一、微机电系统的概述微机电系统的基本构成包括传感器、执行器以及信号处理电路等关键部分。
传感器负责将物理量转化为电信号，执行器则负责根据电信号驱动相应物理过程。
而信号处理电路则是将传感器采集的电信号进行放大、滤波、AD转换等处理，以获得有效的信息。
二、微机电系统的设计技术在微机电系统的设计过程中，首先需要对应用的需求进行充分的了解与分析。
随后，根据需求对系统参数进行选择与确定。
微机电系统的设计通常需要兼顾功耗、灵敏度、响应速度等多个方面的指标，因此需要采用多学科的综合技术。
1. 晶圆加工技术晶圆加工技术是制造微机电系统的核心步骤之一。
通过使用光刻、腐蚀、沉积等工艺，将电子元件与机械结构同时制造在同一晶圆上。
这种集成化的制造方式使得微机电系统具有体积小、重量轻、工作精度高等特点。
2. 传感器设计技术传感器是微机电系统中最为重要的组成部分之一。
传感器的设计涉及到材料选择、结构设计以及信号采集等方面的内容。
例如，对于压力传感器的设计，可以选择合适的微机械结构，通过对机械结构变形的测量来实现对压力的感知。
3. 执行器设计技术执行器的设计同样具有重要意义，它是将电信号转化为物理过程的关键部分。
例如，微型喷墨打印机中的喷嘴就是一种典型的执行器，通过电信号的驱动，控制喷嘴喷射墨水的频率与速度。
三、微机电系统的制造技术微机电系统的制造技术涵盖了大量的工艺与流程。
下面将介绍其中的几种典型制造技术。
1. 压电效应技术压电效应技术是一种通过施加电场来改变材料尺寸的技术。
微机电系统的设计与制造研究
微机电系统的设计与制造研究微机电系统（Microelectromechanical Systems，简称MEMS）是一种基于微米尺度的机械器件与电子器件的融合技术，其在现代工程和科学领域中具有广泛的应用。
本文将探讨微机电系统的设计与制造研究。
一、MEMS技术的背景与发展微机电系统技术起源于20世纪60年代初的美国，当时主要关注微机械传感器的研究与制造。
随着半导体工艺的发展，MEMS技术逐渐成为一种综合性的技术体系，涉及机械、电子、光学和材料等多个领域。
如今，MEMS技术已广泛应用于汽车、航空航天、生物医学、环境监测等各个领域。
二、MEMS的设计原理与流程1. 设计原理MEMS的设计原理主要基于集成电路制造技术，通过在微米尺度上制造机械结构与电子器件以实现功能。
典型的MEMS器件包括微型机械臂、惯性传感器和微泵等。
2. 设计流程MEMS器件的设计流程包括几个关键步骤：需求分析、概念设计、结构设计、电路设计和系统集成。
需求分析阶段通过了解用户需求和技术可行性来确定设计目标。
概念设计阶段依据需求分析结果进行形态设计和性能预测。
结构设计阶段包括材料选择、结构设计和力学仿真等。
电路设计阶段依据需要设计电子控制电路。
最后，系统集成将全部部件组装安装到一起，并进行测试和验证。
三、MEMS制造工艺1. 硅基制造工艺硅基制造工艺是MEMS器件制造的主要方法之一。
它利用半导体工艺的成熟技术在硅片上加工出器件结构。
这种方法具有高度一致性、可靠性和可扩展性优势，广泛应用于传感器和执行器等器件的制造。
2. 增材制造工艺增材制造工艺是相对于传统的基于减材制造的方法而言的，它通过逐层堆积材料来制造三维结构。
这种方法可以实现复杂形状的器件制造，适用于一些特殊需要的器件。
四、MEMS在生物医学领域的应用1. 生物传感器MEMS生物传感器广泛应用于疾病诊断、药物筛选和生物工程等领域。
例如，悬浮在芯片上的微型探测器可以监测细胞生长和代谢活动。
微机电系统中压电材料的应用研究
微机电系统中压电材料的应用研究微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS）是利用微纳米加工技术将机械和电子元件集成在一起的系统。
在MEMS中，压电材料扮演着重要的角色。
压电材料具备机械能与电能的相互转换性能，可以用来实现微尺寸的机械振动器件、能量转换器件以及传感器等。
本文将对压电材料在微机电系统中的应用研究进行探讨。
一、压电材料的基本特性压电材料是一类具有压电效应的材料，主要包括压电陶瓷和压电聚合物等。
其特点是在外加电场或应力下产生电荷或电势差，使得材料发生形变或振动。
同时，压电材料对外界的压力和加速度等变化非常敏感，可以作为传感器来检测和测量这些物理量。
二、压电材料在微振动器件中的应用压电材料的压电效应可以被用来制造微尺寸的振动器件，如微振荡器和微谐振器。
在通信领域中，微振动器件被广泛应用于无线通信和频谱分析等方面。
通过利用压电材料的特性，可以实现频率稳定、功耗低的微振动器件，极大地提高了通信设备的性能和可靠性。
三、压电材料在能量转换器件中的应用压电材料也可以用来制造微尺寸的能量转换器件，如压电发电器和压电马达。
在能量采集领域中，巨大的应力下能产生电荷的特性使得压电材料成为一种理想的能量转换材料。
通过利用压电材料的压电效应，可以将机械能转化为电能，从而实现电能的自动采集和储存。
四、压电材料在传感器中的应用压电材料的特性使得它在传感器领域中具备广泛的应用前景。
例如，压电材料可以用来制造微尺寸的压力传感器、加速度传感器以及其他各种形式的传感器。
在汽车工业中，压电陶瓷可以被应用在安全气囊系统中的碰撞传感器上，有效地检测到车辆发生碰撞的瞬间并触发气囊的充气。
在医疗设备领域中，压电材料可以用来制造心脏监护仪、血压计和人工关节等设备，提供了快速、准确的生理参数监测。
综上所述，微机电系统中的压电材料应用研究具有广泛的应用前景和深远的影响力。
通过利用压电材料的特性，可以实现微尺寸的振动器件、能量转换器件和传感器等，从而提高了微机电系统的功能性和性能。
mems 压电薄膜
mems 压电薄膜摘要：1.介绍MEMS 压电薄膜2.MEMS 压电薄膜的原理3.MEMS 压电薄膜的应用4.MEMS 压电薄膜的发展前景正文：MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微电子机械系统）压电薄膜是一种将微电子技术与机械工程相结合的技术，它是一种能够将电能和机械能相互转换的薄膜。
这种薄膜通常由压电材料制成，具有良好的压电性能，广泛应用于传感器、执行器和能量收集器等领域。
MEMS 压电薄膜的工作原理是基于压电效应。
压电效应是指在某些特定材料中，受到压力时电荷分布会发生变化，从而在材料表面产生电场。
当电场达到一定程度时，这种材料会产生电流。
同样，当这种材料受到电流作用时，也会发生形状变化。
MEMS 压电薄膜正是利用这种原理，将电能和机械能相互转换。
MEMS 压电薄膜的应用领域非常广泛。
首先，它是制造压电传感器的关键元件。
压电传感器能够将受到的压力转换成电信号，广泛应用于汽车、医疗、消费电子等领域。
其次，MEMS 压电薄膜还可以用于制造压电执行器。
压电执行器能够将电信号转换成机械运动，应用于微型机器人、微型泵等领域。
此外，MEMS 压电薄膜还可以用于能量收集器，将环境中的机械能转换成电能，为微型电子设备提供能源。
MEMS 压电薄膜的发展前景非常广阔。
随着微电子技术的发展，MEMS 压电薄膜的制备工艺也在不断提高，性能得到了进一步提升。
未来，MEMS 压电薄膜将会在更多领域得到应用，为人类生活带来更多便利。
同时，随着对可再生能源的需求不断增加，MEMS 压电薄膜在能量收集领域的应用也将得到更多关注。
压电材料近五年在ns发表的文章
压电材料近五年在ns发表的文章压电材料作为一种功能材料，能够实现机械能与电能之间的相互转换，在传感器、执行器以及能量收集等领域有着广泛的应用前景。
近年来，随着纳米技术和材料科学的快速发展，压电材料的研究也取得了长足的进步。
Nature和Science作为国际上最具权威性和影响力的学术期刊，发表了大量压电材料领域的高水平研究成果。
2018年，美国佐治亚理工学院的研究人员在Nature上发表了一项关于柔性压电纳米发电机的研究工作。
他们利用氮化铝纳米线阵列作为压电材料，通过湿法转移的方式制备了可拉伸的压电纳米发电机，其输出电压可达到了120 V，功率密度高达12.7 mW/cm^3。
这种柔性压电器件展现出了优异的机械稳定性和耐久性，在可穿戴电子、人体能量收集等方面具有潜在的应用价值。
纳米压电材料的另一个研究热点是基于钙钛矿材料的压电器件。
2019年，香港城市大学的科研团队在Nature Communications上报道了一种新型的有机-无机杂化钙钛矿压电材料。
通过引入有机胺阳离子，他们成功调控了钙钛矿材料的晶体结构和压电性能，使其压电系数达到了传统无机压电陶瓷的水平。
该研究为开发高性能、环境友好型压电器件提供了新的思路。
pressure sensor压电压力传感器是压电材料的重要应用方向之一。
斯坦福大学的研究人员在2020年的Science Advances上介绍了一种超灵敏的石墨烯-氮化硼压力传感器。
他们利用石墨烯和氮化硼的范德华力设计了一种自支撑的三维多孔结构，其压力灵敏度高达94.8 kPa^-1，可检测到小至1 Pa的压力变化。
这种新型压力传感器有望在人机交互、健康监测等领域发挥重要作用。
近期，基于二维材料的压电性能研究也受到了广泛关注。
2021年，新加坡南洋理工大学的科学家在Nature Nanotechnology上发表了一项关于二硫化钼压电性的研究工作。
他们发现通过引入应变梯度，可以显著提升二硫化钼的压电响应，其压电系数可达到约30 pm/V，与传统的块体压电材料相当。
美国国家科学院发布未来十年九大材料的前沿研究方向
器件、功能更强大的微处理器以及充分利用三维布局的芯片，这需要研发新材料，以用于结合存储器和逻辑功能的新设备、能执行机器学习的低能耗架构的设备、能执行与传统计算机逻辑和架构截然不同的算法的设备。
器件小型化和超越小型化方面的研究重点是提升极紫外（EUV）光刻的制造能力和薄膜压电材料的性能。
金属微机电系统合金的沉积技术和成形技术的发展有望实现物联网。
下一代信息和能源系统将需要能提供更高功率密度、更高效率和更小占位面积的新型电子材料和器件。
集成和封装的变化以及场效应晶体管、自旋电子器件和光子器件等新器件的出现，需要研发新材料来解决互连中出现的新限制。
4. 量子材料量子材料包括超导体、磁性材料、二维材料和拓扑材料等，有望实现变革性的未来应用，涵盖计算、数据存储、通信、传感和其他新兴技术领域。
超导体方面的研究前沿是发现新材料、制备单晶、了解材料的分层结构及功能组件，研究重点包括研发可以预测新材料结构及性能的理论、计算、实验集成的工具；发现和理解新型超导材料，推动相干性和拓扑保护研究发展，进一步理解与更广泛量子信息科学相关的物质。
磁性材料可能会出现“磁振子玻色爱因斯坦凝聚”等新集体自旋模式，非铁金属制备的反铁磁体将成为未来自旋动力学领域中国科学院科技战略咨询研究院 张超星美国国家科学院发布未来十年九大材料的前沿研究方向近日，美国国家科学院发布了《材料研究前沿：十年调查》报告（以下简称调查报告）。
此次调查报告主要评估了过去十年材料研究领域的进展和成就，确定了2020~2030年材料研究的机遇、挑战和新方向，并提出了应对这些挑战的建议。
调查报告指出，发达国家和发展中国家在智能制造和材料科学等领域的竞争将在未来十年加剧。
随着美国在数字和信息时代的发展以及面临的全球挑战，材料研究对美国的新兴技术、国家需求和科学的影响将更加重要。
调查报告认为，材料研究的机遇包括9个方面。
1. 金属2020~2030年，金属和合金领域的基础研究将继续推动新科技革命和对材料行为的更深入理解，从而产生新的材料设备和系统。
北京大学科技成果——压电超高精密微型数控雕刻机床
北京大学科技成果——压电超高精密微型数控雕刻机床成果简介微小部件、产品以及MEMS技术在汽车、航空航天、通信、医疗等领域越来越广泛的应用，对微纳米制造技术提出了更多的需求和更高的要求。
微米制造技术是连接宏观制造和纳米制造的桥梁，广义上指的是微米系统的制造设备及其相关的各种制造工艺。
目前，随着单件小批量产品需求的增多，常用的激光、超声、等离子束、电火花等方法凸显出其固有的缺点。
由于需要采用昂贵的掩模板，这些方法的加工速度慢，仅适合于硅基材料，仅适合于平面加工，且在小批量生产时效率低下。
为解决上述问题，将宏观的机械加工拓展到微米级的微米机械加工技术（Micro Cutting）开始引起了人们的兴趣。
微机械加工介于常规超精密加工和MEMS精度要求之间，是制造MEMS器件的重要手段。
微型数控雕刻机床是微米机械加工的执行器件，通常需要采用非常精确的电机对加工轨迹进行精密控制。
应用领域精密机械与精密磨具加工、微电子加工、微型机器人手与精密组装、精密光学镜头加工等。
技术水平系统所应用的关键技术均为自主研发，且具有多年的研究基础。
申请者已在压电领域进行了20多年的研究，拥有20个与压电马达、压电、磁电传感器相关的中国、美国发明专利。
构建了能够涵盖整个项目开发内容的强有力的开发团队。
主要技术指标加工精度：0.1-0.5微米，高于常规精密加工机床一个数量级；加工范围：40X40X30mm。
今后根据发展需要，再发展大行程压电驱动器。
市场前景在中国，大型数控机床需求大约在2万台/年；微型数控机床的需求1000台/年；以单台市场价格100万计算，中国市场约在10亿/年。
而国际市场应该是国内市场的10-100倍,所以该产品的市场前景广阔。
合作方式技术转让、合作开发。
微机电系统的应用和发展前景
微机电系统的应用和发展前景微机电系统（MEMS）是指运用微电子技术、微纳加工技术、微机械加工技术和微光学技术将传感、执行等功能集成在微米尺度的微系统中的一种技术。
与人们熟知的计算机、手机等电子产品不同，MEMS技术主要应用于各种传感器、执行器和微马达等微型系统的制造和应用。
它可以在微米级别制造出具有卓越性能的传感器和微机械设备，可以制造稳定、高可靠性的微小器件，而且制造成本低、体积小，成为现代科技领域的新宠。
MEMS技术的应用领域非常广泛。
传感方面，它被用在汽车安全、医疗领域、环境监测等各个领域，如汽车碰撞传感器、气压计、加速度传感器、体温计、血糖计等。
执行方面，它被应用在摄像头中的自动对焦技术、液晶显示器中的流控阀、无线通信中的微型电池等领域。
微型机器人也是MEMS技术的绝佳应用之一。
微型机器人可以像昆虫一样在各种环境中穿梭，可以应用在医学、环保等领域，如肝脏内血管检测、海洋环境监测等。
MEMS技术的应用前景非常广阔，可以预见，未来会有更多更具有创意性的微型设备出现。
MEMS技术的发展前景也非常广阔。
前景首先在于其优越的性能和可以快速自我发展的品种。
MEMS技术具有高度集成、小尺寸、重量轻、功耗低、高灵敏度、高分辨率等优点，比传统的设备更具有优势。
特别是微型化和智能化的趋势，将大幅提高设备的性能和功能，并拓展其应用范围。
其次，MEMS技术的发展将趋向自主化和智能化。
MEMS技术将不再是被动的感知器或执行器，而是能够根据不同情景主动调整、自我优化的智能设备。
MEMS芯片集成传感器、湍流装置、滤波器、计算单元等多种功能于一身，既大大节省设备的体积空间，又大大提升设备的性能。
当然，MEMS技术还面临一些挑战，例如材料、制造和测试等方面的问题。
MEMS组件不断需求轻量化、小型化、低功耗的发展趋势，同时也需大规模、高稳定性地生产。
因此，在反复实验和不断创新的基础上，MEMS技术必将迈上一个新台阶。
总之，MEMS技术的应用和发展前景非常广阔。
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Sang-Gook Kim, MIT
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Dielectric Constant
• Dielectric materials, atoms are ionized, + and – charged, causing electric dipoles. – electric polarization • Polarization, quantitatively, electric dipoles/unit volume, C/m2 • Dielectric Displacement, D, stored electric charge/unit area
2.76/2.760 Multiscale Systems Design & Manufacturing Fall 2004 Piezoelectric Transducers
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1
What is Piezoelectricity ?
Jacques & Pierre Curie (1880) Lippmann (1881)
Figure by MIT OCW Adapted from G. Binnig & H. Rohrer, Nobel Prize, 1986
Photos removed for copyright reasons. Medical ultrasound, disk drive heads, naval submarine.
c
Pi
a
Figure by MIT OCW.
0.06A 0.03A 0.1A
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Energy of polarization
Wdip + Welas P
Wtot
P
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14
D = ε
ε
o :Vacuum permittivity (8.854x10-12 F/m)
+ P = εE = Kε E o o
K :Relative Permittivity or dielectric constant - - - - - - - - - - -
-
++++++++++++
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Sang-Gook Kim, MIT
3
Piezoelectric Transducers
1-layer (unimorph)
2-layer
Diagrams removed for copyright reasons. Source: Piezo Systems, Inc. "Introduction to Piezo Transducers." /bendedu.html
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9
Dielectric Loss
• Frequency dependency of polarization • When τ and f are in the same order, energy absorbed and phase lag occurs. • Dielectric Loss, " '
Component schematic removed for copyright reasons. Physik Instrumente Z-positioner P-882.10, in /pdf/2004_PICatLowRes_www.pdf, page 1-45.
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4
Transducers
multi-layer (multimorph)
Diagrams removed for copyright reasons. Source: Piezo Systems, Inc. "Introduction to Piezo Transducers." /bendedu.html
Electrical Energy Fin + Qout
Mechanical Energy Fout + Vin
P +
P +
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2
Piezoelectricity
• Piezoelectric Ceramics • Thin film fabrication • Piezoelectric Transducers
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Dielectric Constants
• • • • • • • Water 81.1 Silicon 11.8 Glass 6.9 Epoxy 4.0 Ice 3.0 Polyethylene 2.3 Air 1.000576 • • • • BaTiO3 KNbO3 Rochelle salt PZT 6000 700 170 1200
– Spontaneous polarization wrt external electric field – Reversible, Remanent polarization, hysterisis
• Pyroelectricity; strong variation in polarization with temperature • Piezoelectricity; large mechanical strain response to applied electrical field
-+ -+ -+ -+ -+
+
6
Origins of Polarization
E=0 E + + -+ -+ -+
1012Hz
• Electronic Polarization • Ionic Polarization
– Ionic crystals, NaCl..
+
109Hz
-+ -+ -+ -+
Temp. > Tc
Pb O Ti, Zr
- Curie Temperature
+
- Pyrochlore phase
P
-
Temp. < Tc
Figure by MIT OCW.
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ex) Pb(TixZr1-x)O3(PZT)
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Spontaneous polarization
∆P = P(polar) − P(nonpolar) / a2c : Polarization per unit cell volume
+ + + - - - ri + x + + + - - Ba2+ O2Ti4+ Homework: Calculate the magnitude of spontaneous polarization. a=3.992 A, c=4.036a 13 1e=1.602x10-19 C
tanδ = ε /ε
• Dielectric breakdown: 60kV/cm for PZT
ε'
" ε
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f
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Ferroelectricity
• Ionic and electronic polarization • S2P or d0 cations • Crystal structure with no inversion center • Ferroelectricity;
-+ -+ -+ -+ -+
+
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Capacitance
q C= V
Capacitance of a parallel plate capacitor
A C = εε 0 L
L
A
+ V -
Relative Dielectric Constant (K), or permittivity
C ε= CVac
106Hz
• Dipolar Polarization
– HCl
+ -
• Space Charge Polarization
Total Charge= bounded + Free Sang-Gook Kim, MIT
-+
----------++++++++++esponse time
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Perovskite Phase
• PZT, (Pb(Zr1-x Tix)O3, the most important piezoelecric material. PbZrO3:PbTiO3 rhombohedral 52:48 cubic tetrahedral