第六讲纳米机械学
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➢ 大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护
MEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长
➢ 不是钢铁、汽车、微电子，而是微系统
第六讲纳米机械学
总的来说微机械应是一个独立的智能系统，它由 传感器、致动器（也称执行器）和微能源三大要 素技术组成。这些要素技术的实现必须有相应的 基础理论和工艺技术的支持才能完成，并且针对 微机械的具体应用对象，还要有相应的专业技术 提供保障。从这种意义上说，微机械是一个多学 科、高技术的边缘学科。它的生存和发展以广大 的科学技术为基础，反过来也促进着多学科的相 互渗透和全面发展。
第六讲 纳米机械技术
1. 引言 2. 纳米机械加工方法 3. 微型机器人及应用
第六讲纳米机械学
1 引言
纳米科技的最终目的是以原子、分 子为起点，去制造具有特殊功能的 产品。因此，纳米器件的研制和应 用水平是进入纳米时代的重要标志。
第六讲纳米机械学
纳米机械技术主要研究微型机械、纳米加工、超精 度测量和材料处理学等技术应用。
第六讲纳米机械学
MEMS技术的应用
在生物医学方面，将光、机、电、液、生 化等部件集成在一起，构成一个微型芯片 实验室，用于临床医学检测，为医生甚至 家庭提供简单、廉价、准确和快捷的检测 手段
光显示、高密度存储、汽车、国防等微系 统
第六讲纳米机械学
典型微纳系统及微纳器件
德国Karlsruhe 的核能研究中心在80 年代末开发的1 cm3 小型换热器的
微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、 卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防 抱死系统(ABS)、稳定控制和玩具
微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护 MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、
光谱分析、信息采集等等 已经制造出尖端直径为5m的可以夹起一个红细胞
的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞 机等
第六讲纳米机械学
例如，挑战者号航天飞机失事就是由于 小小的失误造成的，而这些失误事实上 是难以避免的。无数历史的失败与教训 已迫使设计师们不得不重新考虑他们的 总体设计，并从根本上认识到科学发展 的不平衡性。
第六讲纳米机械学
纵观医学科学的发展也会发现，现代医学正在受 传统医学宏观诊查、定性施治的束缚。21世纪， 心脑血管疾病和癌症将成为威胁人类健康的主要 疾病，而最终战胜这些疾病将有赖于微机械技术 在精密的定量、定点诊治技术中的发展和应用。
在生物工程、信息科学和工程技术等诸多领域， 需要人们有分析和处理微观事物的能力。所有这 一切都为微机械的产生和发展提供了机会。
第六讲纳米机械学
微机械的含义十分广泛，至今还没有一个权威性的 定义。一个约定俗成的概念是微小电气机械系统 （ Micro Electron Mechanical systems ， 缩 写 MEMS）。在人们致力于微观物质的研究时，需 要越来越小的器件，因而MEMS就应运而生了。 上世纪崛起的集成电路技术，使电子产品的集成度 大大提高，现在工程师又探索用这一技术使机械结 构尽量小，以便它们能与微电子器件匹配。在微机 械的研究内容和发展趋势上已有人作过论述。
第六讲纳米机械学
MEMS技术
从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信 号Байду номын сангаас理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一 体的微型机电系统
MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及 到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、 物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等
就空间技术而言，科学家们经过多年的实践、分 析、论证后，得出一个出人意料的结论：与其花 数亿美元构造一个庞大而又复杂的智能系统，不 如把整个系统化整为零，以一群可大量生产的、 廉价的、简单的、低智能的小单元来取而代之。
第六讲纳米机械学
该结论的基本出发点是：尽管就单个小单元来说 其功能无法与大系统相比，但可通过简单单元之间 的分散协调作业，完成大系统难以实现或不能实现 的目的，并具有极高的可靠性，因为数量众多的智 能单元在执行某一项任务的过程中，可能有一小部 分单元失效，但由于同功能的单元的数量众多，所 以个别单元的失效并不影响目标的最终实现。大系 统的情况则不然，任何设计和制作过程的失误，都 可能导致整个计划的失败。
微型机械是80年代末出现的一项新技术。它虽问 世不久，但现已在工业、医疗等方面获得了很多应 用。微机械作为现代高技术发展的综合产物和必然 结果，必将对固有产业和技术产生深远影响，但是， 由于微机械是才有二十几年历史的边缘学科，在目 前还有着诸多的科学难题有待于解决。
第六讲纳米机械学
人类进入20世纪，空间技术、生物工程、信息科 学、临床医学都得到了巨大的发展，上述高技术 在21世纪能否保持目前的发展速度，在某种程度 上取决于微机械的进步。
第六讲纳米机械学
微机械技术具有许多优点： ➢ 体积小，但功能强。如轮齿只有一个红
血球细胞那样大，如此小的部件运转起 来非常快，其体积小使得引力和惯性几 乎不起作用。 ➢ 制造成本低。可以在一块很小的硅片上 制造数十万个微型机械。
第六讲纳米机械学
MEMS技术的应用
MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环 境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领 域中都有着十分广阔的应用前景
第六讲纳米机械学
MEMS技术的应用
空间应用
用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面 辐照实验，正在进行飞行搭载实验
微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究
通信方面
光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方 向发展
无线通信则要求增强功能（如联网等）和减小 功耗。包括美国朗讯公司在内的一些公司和大 学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信 用射频微系统
第六讲纳米机械学
MEMS — 微小型、智能、集成、高可靠
MEMS是人类科技发展过程一次重大的技术整合
➢ 微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术
微小型化、智能化、集成化、高可靠性 MEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成
➢ 在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变
MEMS极大地改善了人类生活的质量
MEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长
➢ 不是钢铁、汽车、微电子，而是微系统
第六讲纳米机械学
总的来说微机械应是一个独立的智能系统，它由 传感器、致动器（也称执行器）和微能源三大要 素技术组成。这些要素技术的实现必须有相应的 基础理论和工艺技术的支持才能完成，并且针对 微机械的具体应用对象，还要有相应的专业技术 提供保障。从这种意义上说，微机械是一个多学 科、高技术的边缘学科。它的生存和发展以广大 的科学技术为基础，反过来也促进着多学科的相 互渗透和全面发展。
第六讲 纳米机械技术
1. 引言 2. 纳米机械加工方法 3. 微型机器人及应用
第六讲纳米机械学
1 引言
纳米科技的最终目的是以原子、分 子为起点，去制造具有特殊功能的 产品。因此，纳米器件的研制和应 用水平是进入纳米时代的重要标志。
第六讲纳米机械学
纳米机械技术主要研究微型机械、纳米加工、超精 度测量和材料处理学等技术应用。
第六讲纳米机械学
MEMS技术的应用
在生物医学方面，将光、机、电、液、生 化等部件集成在一起，构成一个微型芯片 实验室，用于临床医学检测，为医生甚至 家庭提供简单、廉价、准确和快捷的检测 手段
光显示、高密度存储、汽车、国防等微系 统
第六讲纳米机械学
典型微纳系统及微纳器件
德国Karlsruhe 的核能研究中心在80 年代末开发的1 cm3 小型换热器的
微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、 卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防 抱死系统(ABS)、稳定控制和玩具
微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护 MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、
光谱分析、信息采集等等 已经制造出尖端直径为5m的可以夹起一个红细胞
的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞 机等
第六讲纳米机械学
例如，挑战者号航天飞机失事就是由于 小小的失误造成的，而这些失误事实上 是难以避免的。无数历史的失败与教训 已迫使设计师们不得不重新考虑他们的 总体设计，并从根本上认识到科学发展 的不平衡性。
第六讲纳米机械学
纵观医学科学的发展也会发现，现代医学正在受 传统医学宏观诊查、定性施治的束缚。21世纪， 心脑血管疾病和癌症将成为威胁人类健康的主要 疾病，而最终战胜这些疾病将有赖于微机械技术 在精密的定量、定点诊治技术中的发展和应用。
在生物工程、信息科学和工程技术等诸多领域， 需要人们有分析和处理微观事物的能力。所有这 一切都为微机械的产生和发展提供了机会。
第六讲纳米机械学
微机械的含义十分广泛，至今还没有一个权威性的 定义。一个约定俗成的概念是微小电气机械系统 （ Micro Electron Mechanical systems ， 缩 写 MEMS）。在人们致力于微观物质的研究时，需 要越来越小的器件，因而MEMS就应运而生了。 上世纪崛起的集成电路技术，使电子产品的集成度 大大提高，现在工程师又探索用这一技术使机械结 构尽量小，以便它们能与微电子器件匹配。在微机 械的研究内容和发展趋势上已有人作过论述。
第六讲纳米机械学
MEMS技术
从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信 号Байду номын сангаас理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一 体的微型机电系统
MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及 到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、 物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等
就空间技术而言，科学家们经过多年的实践、分 析、论证后，得出一个出人意料的结论：与其花 数亿美元构造一个庞大而又复杂的智能系统，不 如把整个系统化整为零，以一群可大量生产的、 廉价的、简单的、低智能的小单元来取而代之。
第六讲纳米机械学
该结论的基本出发点是：尽管就单个小单元来说 其功能无法与大系统相比，但可通过简单单元之间 的分散协调作业，完成大系统难以实现或不能实现 的目的，并具有极高的可靠性，因为数量众多的智 能单元在执行某一项任务的过程中，可能有一小部 分单元失效，但由于同功能的单元的数量众多，所 以个别单元的失效并不影响目标的最终实现。大系 统的情况则不然，任何设计和制作过程的失误，都 可能导致整个计划的失败。
微型机械是80年代末出现的一项新技术。它虽问 世不久，但现已在工业、医疗等方面获得了很多应 用。微机械作为现代高技术发展的综合产物和必然 结果，必将对固有产业和技术产生深远影响，但是， 由于微机械是才有二十几年历史的边缘学科，在目 前还有着诸多的科学难题有待于解决。
第六讲纳米机械学
人类进入20世纪，空间技术、生物工程、信息科 学、临床医学都得到了巨大的发展，上述高技术 在21世纪能否保持目前的发展速度，在某种程度 上取决于微机械的进步。
第六讲纳米机械学
微机械技术具有许多优点： ➢ 体积小，但功能强。如轮齿只有一个红
血球细胞那样大，如此小的部件运转起 来非常快，其体积小使得引力和惯性几 乎不起作用。 ➢ 制造成本低。可以在一块很小的硅片上 制造数十万个微型机械。
第六讲纳米机械学
MEMS技术的应用
MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环 境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领 域中都有着十分广阔的应用前景
第六讲纳米机械学
MEMS技术的应用
空间应用
用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面 辐照实验，正在进行飞行搭载实验
微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究
通信方面
光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方 向发展
无线通信则要求增强功能（如联网等）和减小 功耗。包括美国朗讯公司在内的一些公司和大 学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信 用射频微系统
第六讲纳米机械学
MEMS — 微小型、智能、集成、高可靠
MEMS是人类科技发展过程一次重大的技术整合
➢ 微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术
微小型化、智能化、集成化、高可靠性 MEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成
➢ 在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变
MEMS极大地改善了人类生活的质量