微纳米技术概论
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3、国际学术界、产业界对微纳米技术形成了 研究与开发热潮，形成学科、研发基地。
4、微纳米产品及其制造装备技术已成为高附 加值产品。
5、发展历程：萌芽期→冒进期→理智期→ 稳定期→实用期→工业革命
6
加工技术
物理形式
化学形式
去除成形 约束成形 生长成形 去除成形 约束成形 生长成形 切削磨削 铸锻冲压 焊接涂层 光刻化铣 化学电铸 CVD
生物形式
去除成形 约束成形 生长成形 群体代谢 菌体金属化 生物聚合
二、按物质状态变化划分
原材料
加工方法
固体 切削、磨削、激光束、电火花加工
固体 电解加工
固体 等离子体刻蚀
人工心脏
电液伺服阀－－喷嘴孔
挠性陀螺－－薄壁筋
航空航天机载设备微细加工
航空发动机导向叶片散热孔
§3 微系统的发展趋势
一、传统产品的小型化、集成化、高性能化
插入血管的探测器
Ni electroplating Pyrex glass Bits
Probe
IC Chip
X - Y stage Nano-heater X direction
气体 气相沉积
液体 电镀
活体 生物金属化
固体 生物去除加工
活体 生物聚结成形
产物 固体 液体 气体 固体 固体 固体 活体 活体
4
三、按系统小型化方式划分 • 宏观系统从大向小缩小(Top-Down):
通过元件逐步小型化→使系统逐渐小型化→复杂微系统。 目前属微米技术领域，向小型化方向发展。
• 微观分子从小向大组装(Bottom-Up):
2、加工技术的发展过程：
原始社会：木器、石器加工时代（厘米级、无装配） 蒸气机时代：金属机械加工时代（毫米级、需装配） 信息时代：硅加工时代（微米级、集成制造） 纳米时代：碳时代、生物时代（纳米级、自组装）
3、加工技术的地位：
是国民经济的基础，我国已经成为制造大国。 是高技术竞争的核心，我国力争成为制造强国。 科学技术与加工技术相互促进，制造装备是关键。
制造可控尺度已向分子级逼近，结构复杂度已进入微纳跨尺度 结构级，但是人工结构的复杂度与功能远逊色于自然生物。
亲水基
亲油基
脂质分子
脂质双层膜
脂质体分子
脂质体芯片
脂质体聚合生长成形(Bottom-Up)
碳纳米管生长成形(Bottom-Up)
常规吉普车
遥控玩具吉普车
汽车小型化（ Top-Down ）
火柴棍上行驶的吉普车
系统：机器、生物个体 元件：零件、器官
100μm 微 米 10μm
1μm
制造可控尺度
结构复杂度
组织：结构、生物组织 单元：微粒、细胞
100nm 纳 10nm 米
1nm
0.1nm 1940
1960
1980
2000 2020
2040
大分子：高分子链、DNA 碳纳米管
小分子 [年]
微纳跨尺度结构
制造尺度与复杂度的发展趋势
5
§5 微细加工的理论基础
一、材料学 二、力学、摩擦学、热学 三、电学、声学、光学 四、高能物理学、等离子体学 五、化学、生物学 六、等等………
§6 微纳米加工技术的国际地位
1、发达国家从90年代开始启动各种重大微纳 米技术研究计划。
2、我国“十五”、“十一五”863、973、自然基 金委等都启动了微纳米重大研究计划。
半导体加工技术：光刻、刻蚀、溅射、沉积、键合等等。
三、工件材料非金属化、结构与智能一体化
半导体材料：硅材料、玻璃等 纳米材料：碳纳米管、纳米碳球、金刚石等 生物质材料：DNA、脂质、蛋白质分子等 压电材料：PZT、ZnO等 光学材料：石英玻璃、蓝宝石等 塑料：尼龙、聚乙烯等
§4 微细加工领域的划分
一、按加工能量形式和成形方式划分
机械类本科专业：
传统专业 特设专业
机械工程
080201
机械设计制造及其自动化 080202
材料成型及控制工程 080203
机械电子工程
080204
工业设计
080205
过程装备与控制工程 080206
车辆工程
080207
微机电系统工程
080210T
机械工程一级学科：
传统学科 新设学科
机械设计及理论 机械制造及其自动化 机械电子工程 车辆工程 微机电工程
– 回答：“如何微纳制造？” – 内容：纳米、生物、微切、微特、硅微技术
硕士院基础课：
固体力学 流体力学 生物力学 材料物理 机械系统动力学 工程中的数学方法 离散数学 模糊数学与模糊规划 人工智能与专家系统 软件技术基础 面向对象的设计与分析 数据库系统原理与应用
有限元方法 计算机图形学 现代机电控制 计算机控制技术 现代制造技术与系统 离散系统建模与仿真 现代机械优化设计 机械振动学 微纳米制造技术及理论 切削加工原理及表面完整性 热制造学基础 船舶与海洋工程结构 科技论文写作
§2 微细加工的需求
一、日常中的微细加工
燃料从喷嘴中喷出
集成电路芯片 引脚 线路板微孔
液晶显示器 等离子体显示器 阵列微孔
二、医疗中的微细加工
细灯丝－－拉丝模具微孔
日常大量物品需要小型化、多功能化
光盘记录－－微光路系统
喷墨打印机－－打印头
流式细胞仪－－喷嘴孔
2
医疗内视镜－－光学端子
三、国防中的微细加工
纳米记录－－接近场光学纳米孔
Y direction
硅谐振陀螺
喷墨芯片
3
细胞流量计芯片
大发动机
微型涡轮喷气发动机 （美国麻省理工学院研制）
二、传统加工的微细化、复合化、加工装配一体化
机械加工技术：孔加工、外圆切削、曲面铣削、磨削与研磨等等。
特种加工技术：电火花加工、电解加工、激光加工、超声加工、生物加工等等。
通过原子和分子组装→使材料或器件复杂化→复杂微系统。 目前属纳米技术领域，向复杂化方向发展。
• 目标是微系统复杂化、微细化：
问题的关键是微米/纳米加工技术。
毫 米
Top-Down
微 米
纳 米
Bottom-Up
Top-Down与Bottom-Up的趋势
[尺度]
[复杂度]
100mm 毫 米 10mm
1mm
080201 080202 080203 080204 080205
Байду номын сангаас
当今四大支柱科学： 制造科学、信息科学、材料科学、生物科学。
材料科学 原材料
生物科学
制造科学
人工
信息科学
发展趋势： 信息化软件→信息密集。 微细化硬件→功能密集。
实用产品
课程主要内容（32学时）
第一章 概述（2h） 第二章 纳米加工技术（2h） 第三章 生物制造与仿生制造（2h） 第四章 微细机械加工技术（4h） 第五章 微细特种加工技术（4h） 第六章 半导体加工技术（8h） 第七章 微连接与微装配技术（2h） 第八章 MEMS技术（4h） 第九章 MEMS工艺过程设计（2h）
《微纳米加工技术》
主讲 张德远 北京航空航天大学 机械学院
制造课程体系
• 本科院平台课《制造工程基础》-基础
– 回答“什么是制造？” – 内容：切削、机床、工艺、公差基本概念
• 本科系方向课《先进加工技术》-提升
– 回答“什么是先进加工？” – 内容：先进切磨、特种加工、微纳加工技术
• 硕士院基础课《微纳制造技术》-前沿
1
第一章 概述
§1 制造技术的现状 §2 微细加工的需求 §3 微系统的发展趋势 §4 微细加工领域的划分 §5 微纳米加工的理论基础 §6 微纳米加工技术的国际地位
§1 制造技术的现状
1、制造技术： 原材料→加工→零件→装配→系统。
按领域划分为： 机械加工：切削、磨削加工→精加工 成形加工：铸、锻、焊、钣金等→粗加工 特种加工：高能束、声学、化学等→微细加工 半导体加工：光刻、刻蚀、溅射→集成加工 生物加工：生物复制、组织工程→活体加工 －－都可以实现微细加工
4、微纳米产品及其制造装备技术已成为高附 加值产品。
5、发展历程：萌芽期→冒进期→理智期→ 稳定期→实用期→工业革命
6
加工技术
物理形式
化学形式
去除成形 约束成形 生长成形 去除成形 约束成形 生长成形 切削磨削 铸锻冲压 焊接涂层 光刻化铣 化学电铸 CVD
生物形式
去除成形 约束成形 生长成形 群体代谢 菌体金属化 生物聚合
二、按物质状态变化划分
原材料
加工方法
固体 切削、磨削、激光束、电火花加工
固体 电解加工
固体 等离子体刻蚀
人工心脏
电液伺服阀－－喷嘴孔
挠性陀螺－－薄壁筋
航空航天机载设备微细加工
航空发动机导向叶片散热孔
§3 微系统的发展趋势
一、传统产品的小型化、集成化、高性能化
插入血管的探测器
Ni electroplating Pyrex glass Bits
Probe
IC Chip
X - Y stage Nano-heater X direction
气体 气相沉积
液体 电镀
活体 生物金属化
固体 生物去除加工
活体 生物聚结成形
产物 固体 液体 气体 固体 固体 固体 活体 活体
4
三、按系统小型化方式划分 • 宏观系统从大向小缩小(Top-Down):
通过元件逐步小型化→使系统逐渐小型化→复杂微系统。 目前属微米技术领域，向小型化方向发展。
• 微观分子从小向大组装(Bottom-Up):
2、加工技术的发展过程：
原始社会：木器、石器加工时代（厘米级、无装配） 蒸气机时代：金属机械加工时代（毫米级、需装配） 信息时代：硅加工时代（微米级、集成制造） 纳米时代：碳时代、生物时代（纳米级、自组装）
3、加工技术的地位：
是国民经济的基础，我国已经成为制造大国。 是高技术竞争的核心，我国力争成为制造强国。 科学技术与加工技术相互促进，制造装备是关键。
制造可控尺度已向分子级逼近，结构复杂度已进入微纳跨尺度 结构级，但是人工结构的复杂度与功能远逊色于自然生物。
亲水基
亲油基
脂质分子
脂质双层膜
脂质体分子
脂质体芯片
脂质体聚合生长成形(Bottom-Up)
碳纳米管生长成形(Bottom-Up)
常规吉普车
遥控玩具吉普车
汽车小型化（ Top-Down ）
火柴棍上行驶的吉普车
系统：机器、生物个体 元件：零件、器官
100μm 微 米 10μm
1μm
制造可控尺度
结构复杂度
组织：结构、生物组织 单元：微粒、细胞
100nm 纳 10nm 米
1nm
0.1nm 1940
1960
1980
2000 2020
2040
大分子：高分子链、DNA 碳纳米管
小分子 [年]
微纳跨尺度结构
制造尺度与复杂度的发展趋势
5
§5 微细加工的理论基础
一、材料学 二、力学、摩擦学、热学 三、电学、声学、光学 四、高能物理学、等离子体学 五、化学、生物学 六、等等………
§6 微纳米加工技术的国际地位
1、发达国家从90年代开始启动各种重大微纳 米技术研究计划。
2、我国“十五”、“十一五”863、973、自然基 金委等都启动了微纳米重大研究计划。
半导体加工技术：光刻、刻蚀、溅射、沉积、键合等等。
三、工件材料非金属化、结构与智能一体化
半导体材料：硅材料、玻璃等 纳米材料：碳纳米管、纳米碳球、金刚石等 生物质材料：DNA、脂质、蛋白质分子等 压电材料：PZT、ZnO等 光学材料：石英玻璃、蓝宝石等 塑料：尼龙、聚乙烯等
§4 微细加工领域的划分
一、按加工能量形式和成形方式划分
机械类本科专业：
传统专业 特设专业
机械工程
080201
机械设计制造及其自动化 080202
材料成型及控制工程 080203
机械电子工程
080204
工业设计
080205
过程装备与控制工程 080206
车辆工程
080207
微机电系统工程
080210T
机械工程一级学科：
传统学科 新设学科
机械设计及理论 机械制造及其自动化 机械电子工程 车辆工程 微机电工程
– 回答：“如何微纳制造？” – 内容：纳米、生物、微切、微特、硅微技术
硕士院基础课：
固体力学 流体力学 生物力学 材料物理 机械系统动力学 工程中的数学方法 离散数学 模糊数学与模糊规划 人工智能与专家系统 软件技术基础 面向对象的设计与分析 数据库系统原理与应用
有限元方法 计算机图形学 现代机电控制 计算机控制技术 现代制造技术与系统 离散系统建模与仿真 现代机械优化设计 机械振动学 微纳米制造技术及理论 切削加工原理及表面完整性 热制造学基础 船舶与海洋工程结构 科技论文写作
§2 微细加工的需求
一、日常中的微细加工
燃料从喷嘴中喷出
集成电路芯片 引脚 线路板微孔
液晶显示器 等离子体显示器 阵列微孔
二、医疗中的微细加工
细灯丝－－拉丝模具微孔
日常大量物品需要小型化、多功能化
光盘记录－－微光路系统
喷墨打印机－－打印头
流式细胞仪－－喷嘴孔
2
医疗内视镜－－光学端子
三、国防中的微细加工
纳米记录－－接近场光学纳米孔
Y direction
硅谐振陀螺
喷墨芯片
3
细胞流量计芯片
大发动机
微型涡轮喷气发动机 （美国麻省理工学院研制）
二、传统加工的微细化、复合化、加工装配一体化
机械加工技术：孔加工、外圆切削、曲面铣削、磨削与研磨等等。
特种加工技术：电火花加工、电解加工、激光加工、超声加工、生物加工等等。
通过原子和分子组装→使材料或器件复杂化→复杂微系统。 目前属纳米技术领域，向复杂化方向发展。
• 目标是微系统复杂化、微细化：
问题的关键是微米/纳米加工技术。
毫 米
Top-Down
微 米
纳 米
Bottom-Up
Top-Down与Bottom-Up的趋势
[尺度]
[复杂度]
100mm 毫 米 10mm
1mm
080201 080202 080203 080204 080205
Байду номын сангаас
当今四大支柱科学： 制造科学、信息科学、材料科学、生物科学。
材料科学 原材料
生物科学
制造科学
人工
信息科学
发展趋势： 信息化软件→信息密集。 微细化硬件→功能密集。
实用产品
课程主要内容（32学时）
第一章 概述（2h） 第二章 纳米加工技术（2h） 第三章 生物制造与仿生制造（2h） 第四章 微细机械加工技术（4h） 第五章 微细特种加工技术（4h） 第六章 半导体加工技术（8h） 第七章 微连接与微装配技术（2h） 第八章 MEMS技术（4h） 第九章 MEMS工艺过程设计（2h）
《微纳米加工技术》
主讲 张德远 北京航空航天大学 机械学院
制造课程体系
• 本科院平台课《制造工程基础》-基础
– 回答“什么是制造？” – 内容：切削、机床、工艺、公差基本概念
• 本科系方向课《先进加工技术》-提升
– 回答“什么是先进加工？” – 内容：先进切磨、特种加工、微纳加工技术
• 硕士院基础课《微纳制造技术》-前沿
1
第一章 概述
§1 制造技术的现状 §2 微细加工的需求 §3 微系统的发展趋势 §4 微细加工领域的划分 §5 微纳米加工的理论基础 §6 微纳米加工技术的国际地位
§1 制造技术的现状
1、制造技术： 原材料→加工→零件→装配→系统。
按领域划分为： 机械加工：切削、磨削加工→精加工 成形加工：铸、锻、焊、钣金等→粗加工 特种加工：高能束、声学、化学等→微细加工 半导体加工：光刻、刻蚀、溅射→集成加工 生物加工：生物复制、组织工程→活体加工 －－都可以实现微细加工