微型机械设计试卷

研究生课程考核试卷

（适用于课程论文、提交报告）

科目：微机械设计与制造教师：

姓名：学号：

专业：机械工程类别：（学术、专业）上课时间：

考生成绩：

卷面成绩平时成绩课程综合成绩

阅卷评语：

阅卷教师(签名)

重庆大学研究生院制

重庆大学研究生《微机械设计与制造》课程考核要求1）引用的参考文献及资料需要注明；

2）提交时间：上课按组提交，交纸质稿及电子稿。

一、基本概念（35分）

1、解释微机械系统及组成？

答：微机械（也称微型机电系统）在美国常称为微型电子机械系统MEMS （Micro Electro Mechanical System）;在日本被称作微机器（Micromachine）;而在欧洲被称作微系统（Microsystem）。按外形尺寸特征，微机械可分为1-10mm的微小型机械，1um-1mm的微机械，以及1nm-1um的纳米机械。MEMS（微机电系统）到目前为止国际上还没有它的统一的定义，但一般来说，MEMS是指可以采用微电子批量加工工艺制造的，集微型机构、微型传感器、微型致动器以及信号处理和控制电路、接口、通讯和电源等部件于一体的微型系统。通常，它包括微型传感器、执行器和相应的处理电器这三个部分。

2、解释微机械设计的目的？

答：微机械设计的目的在于它的应用。微机械由于具有能够在狭小空间内进行作业而又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航天、精密仪器、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力，并成为纳米技术研究的重要手段，因而受到各国的高度重视，被列为21世纪关键技术之首。

（1）在航空航天方面的应用

微机械在飞行器的电子设备、飞行器设计及微小卫星等技术方面都有重要的应用。现代的飞机和飞行器的结构更多的地采用复合材料，已成为发展趋势。尤其引人注目的是，在复合材料内分布嵌入微机电系统功能单元（微传感器微执行器微电子线路），便可得到期望的、程序可控的材料和结构组态。这些材料和结构被称为Smart材料和Smart结构。这种Smart结构具有自我监测和检测的功能，能连续地对结构的应力、振动、声、加速度、气动阻力及结构完好性等多种状态实施监测和检测。微机电系统对发展微小卫星起着重要的作用，它的应用使微小卫星质量降到10Kg以下，不久的将来，含有多种微传感器、微处理器、天线、微火箭及微控制等在内的集合体，将会用微米和纳米制造技术把它们制作在同一硅基片上，成为单片微小卫星。

（2）在生物医学方面的应用

微传感器、微执行器及微系统在生物医学和工程方面的应用，对促进医疗器械的改善，加速疾病的预防、诊断及治疗都有重要作用。主要应用场合

为：腔内压力监测、微型手术、生物芯片、细胞操作、仿生器件。

（3）在微流量系统方面的应用

微流量系统由微阀、微泵及微型流量传感器等器件组成，经微机械加工，将这些微器件制作在同一块硅衬底上，形成微流量共同体。微流量通道刻蚀在与硅衬底键合在一起的硼硅酸玻璃上。微流量系统除了体积小、所需样品量少的优点以外，在性能上还能保证被告分析、化验及检测的流量感受同样的温度分布、吸热反应、清洁的反应过程及精确的流量控制。这些是MEMS技术实现的，过去那种分离式的常规流量系统是无法做到的。微流量系统在其他方面也有重要的应用，如太空用微型推进系统、喷墨嘴、射流元件、射流放大器以及气体与液体的色谱分析等。

（4）在信息科学方面的应用

信息本身没有质量和尺寸，但信息存储、交换、操作及传输过程中外接的微型化、低功耗的MEMS器件却是不可或缺的基础件，如计算机系统中的微机械存储器、激光扫描仪、磁盘和磁头以及打印等。它们不仅具备信息交换和存储能力，同时也有助于改进信息的敏感度及显示的密度和品质。MEMS器件和系统在信息科学中的应用，对移动通信及信息技术实现微型化、低功耗等都具有重要作用。

3、解释微机械系统的特性？

答：微机械日益受到人们关注，是因为具有诱人的特点：①体积小、重量轻、结构坚固、精度高；②能耗小、响应快、灵敏度高；③性能稳定、可靠、一致性好；④多功能化和智能化，既能感知又能控制环境；⑤适于大批量生产，成本低廉；而易于更换和设备维修。

4、解释微位移机构的分类？

答：（1）直线电机式微位移机构；

（2）机械传动式微位移机构；

（3）扭轮摩擦传动式微位移机构；

（4）弹性变形传动式微位移机构；

（5）压电元件式微位移机构；

（6）热变形式微位移机构。

（7）磁致伸缩式微位移机构

（8）柔性铰链式微位移机构

5、解释微机械设计的尺寸效应？

答：当一个系统的特征尺寸达到微米级和纳米级时，将会产生许多新的科学问题，例如随着尺寸的减少，表面积与体积之比增加，表面力学、表面物理效应将起主导作用，传统的设计和分析方法将不再适用。为摩擦学、微热力这等问题在微系统中将至关重要。微系统尺度效应研究将有助于微系统的创新。微型机械不是传统机械直接微型化，它远超

出了传统机械的概念和范畴。微型机械的尺度效应、物理特性研究、设计、制造和测试研究是微系统领域的重要研究内容。

6、解释微机械的微细加工？

答：微细加工原指加工尺度约在微米级范围的加工方法。在微机械研究领域中，从尺寸角度，微机械可分为1mm—10mm的微小机械，1μm —1mm的微机械，1nm—1μm的纳米机械，微细加工则是微米级精细加工、亚微米级微细加工、纳米级微细加工的通称。广义上的微细加工，其方式十分丰富，几乎涉及现代特种加工、微型精密切削加工等多种方式，微机械制造过程又往往是多种加工方法的组合。从基本加工类型看，微细加工可大致分为四类：分离加工——将材料的某一部分分离出去加工方式，如分解、蒸发、溅射、切削、破碎等；接合加工——同种或不同材料的附和加工或相互结合加工方式，如蒸镀、淀积、生长等；变形加工——使材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、流体变形加工等；材料处理或改性和热处理或表面改性等。微细加工技术曾广泛用于大规模集成电路的加工制作，正是借助于微细加工技术才使得众多的微电子器件及相关技术和产业蓬勃兴起。目前，微细加工技术已逐渐被赋予更广泛的内容和更高的要求，已在特种新型器件、电子零件和电子装臵、机械零件和装臵、表面分析、材料改性等方面发挥日益重要的作用，特别是微机械研究和制作方面，微细加工技术已成为必不可少的基本环节。

7、解释微传感器？

答：微传感器是一种基于半导体工艺技术的新一代传感器器件，它应用新的工作机制和物化效应，采用与标准半导体工艺兼容的材料，用微细加工技术制备的。微传感器因其微型化、智能化、低功耗、易集成的特点而越来越受到青睐。

二、微型机械设计的基本原理及方法（10分）

答：科学界认为一个相对完整的微电子机械系统应该有几个必要的部分组成：1.驱动器；2.传感器；3.信息处理微系统；4.接口。

微型机械的设计理论应该将集成设计的理论为基础，考虑集成控制理论的相关内容；并且要考虑运动信号，能量信号等的传递方式和传递规律；还应该考虑系统所涉及的一些关于为运动学，微机构学，微运动学等基础微科学理论的延伸和扩展；以及关于微型接口和宏观接口的设计问题等。微型机械不是将传统的普通机械进行比例缩小而成，它是将每个单元的各个功能完全的集中在以微小的自治单元。因此，微型机械的内部结构十分复杂，将每个结构都设计细化很困难，使其集成化和自能化更难。

（一）微尺寸效应在物质世界，某一个物质尺寸缩小到一定程度，他的很多物理现象就与原来在其宏观世界中有很大区别，可说表面效应与力