微型机构技术综述

微型机械技术综述

摘要：微型机械涉及多学科的交叉知识，它不简单等同于普通机械的缩微，而是有其自身的规律特点。正是由于这些特点，使其在生物医学、航空航天、军事和工农业各方面有广阔的应用前景。

关键词：微型机械技术特点发展历程应用领域

1.前言

随着微/纳米科学与技术的发展，以本身尺寸微小或是操作尺度微小为特征的微型机械已经开始了人类认识和改造微观世界的旅程。按其尺寸大小，可以把微型机械分为两类。尺寸在毫米级的微机械称为微型机械，尺寸在纳米级的机械称为微小机械。

微型机械技术是多专业融合多学科交叉的科学技术新领域。一个完整的微型机械是包含微型机构，微型传感器，微型执行器以及信号处理电路和控制电路等部分的机电一体化产品。因此，微机械技术涉及到的基本理论有：微电子学、微机械学、微机构学、微光学、微动力学、微热力学、微摩擦学等等。

微型机械的主要特点有：体积小、重量轻、精度高、灵敏度高、性能稳定、能耗低。此外，其生产成本也较低廉，便于大批量生产，微型机械还集约了高科技成果，附加价值较高。

与传统机械相比，无论在理论方法还是制造技术上都是一次革命。微型机械不能简单地理解为传统机械的微型化，而是工作机理、材料特性、加工技术测量方法、控制手段、联系方式等方面的巨大变化。

2.微型机械技术的特点

微型机械，从它的名字就可以知道，它的一个主要的特点就是“微”，随之带来的就是微机械的尺寸缩小所产生的尺寸效应现象，即随着尺寸缩小，物理量并非等比例缩小，当尺寸缩小到一定程度时，宏观机械的模拟原理和相似理论不再适用。所以微机械的特征和传统机械有很多不同之处。微机械的基本特征为：

(1)微机械中起主导作用的力是表面力。微型机械体积小、重量轻，因此表面力成为起主导作用的力，体积力的作用相对要小一些。故随着尺寸的缩小，静电力与重力相比成为主导作用力，所以微机械常用静电力驱动。与普通机械相比，

摩擦力对微机械影响比重力更大一些。(2)微机械并不是传统机械的模拟缩小。设计微型机电系统并不是追求复杂的机械结构，而是着眼于用多个简单的机械元件、传感器和人工智能的器件完成复杂的工作。(3)在能源供给上，如果微型机械系统具有移动和转动功能，电缆就会成为运动的障碍，所以微机械一般采用静电力供能。或者使用静电力激励供能。因此，原有适用于传统机械的方法和原理对于微型机械已不再适用。微机械的发展需用新理论、新方法来指导：由于主要阻力的变化，需要新的构造原理和控制方式；由于运动学和动力学方程起主要作用的因素改变，需要新的驱动方式；由于微机械器件结构的微型化，需要新的制造方式和方法。

3.微型机械的发展历程

l970年，斯坦福大学开始研究微型机械。1987年后美国各部门投入大量经费资助其开发。随后，日本和西欧也相继将此研究列为重要发展领域。以上各国在微型机械的研究都有进展。例如斯坦福大学研制出直径20μm、长度150μm铰链连杆机构，210μm⨯100μm滑块机构，转子直径200μm静电电机和流量20mL/min 液体泵。加州大学伯克利分校试制出直径60μm静电电机，直径50μm旋转关节及齿轮驱动的滑块和灵敏弹簧。贝尔实验室开发出直径400μm齿轮。麻省理工研究出三自由度闭环平面机构操作器，可用于低力矩精密定位。日本90年代初启动微型机械研究计划并取得重要进展，如东京大学工业研究院研制成13

cm爬坡微型机械装置，早稻田大学机械工程系成功用形状记忆合金制作出微型机器人。名古屋大学研制出不需电缆的管道移动微型机器人，可用于小直径管检测生物医学领域或人体器官等小空间内的操作。

我国正积极开展微型机电系统的研究，其中微型驱动器微型机器人开发已列入国家863计划。广东工业大学与日本筑波大学合作开展的生物和医用微型机器人研究已研制出位移分别为50μm和50μm⨯50μm 的一维、二维联动压电陶瓷驱动器及位移50μm⨯50μm⨯50μm，精度0.01μm 的三自由度压电陶瓷驱动微型机器人。哈尔滨工业大学研制出电致伸缩陶瓷驱动的二自由度微型机器人，其位移为10mm⨯l0mm，位移分辨率为0.01μm，还将研制六自由度微型机器人。中国科学院上海光学与精密机械研究所研制出微型器件装配装置。上海冶金研究所研制

出直径400μm的多晶硅齿轮、气动涡轮和微静电电机等。与发达国家相比，我们的微型机械研究在深度、广度和技术水平上还有差距，还需要科研人员的不断努力。

4.微型机械的应用领域

微型机械主要应用于三大领域：军事、医疗及航空航天领域。在军事上的应用目前来说可能还是设想多于实际，虽然现在已经有诸如“电子蝇”等微型飞行器之类的微型机械，但是微型机械在军事上的应用更该是更着眼于应对未来的军事冲突。未来战争的胜负在某种意义上也许将不是取决于作战双方航母、飞机、坦克、大炮等常规武器的威力，而是由一些微型机械来决定的。这些微型武器可以潜入敌后腹地，对敌人的指挥所，雷达站等关键目标实施精确打击，让敌方在战争一开始就陷于瘫痪状态。

科学家预言微型机械装置将在医学上得到卓有成效的应用。科学家们也在为此做着不懈努力。美国科学家正在研制重量0.37g的微机器人，可射入血液中去清除沉积的胆固醇。日本东京大学即将研制成功高度不到1mm 微机器人，可在人体内各种通道中行走，能穿过静脉血管和其它人体器官，能把自己在体内的部位和检查结果传递给医疗专家，甚至能对病变直接加以治疗。微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如：将微型传感器用口服或皮下注射法送入人体，就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测。将特制的微型机器人送入人体，可刮去导致心脏病的油脂沉积物，除去体内的胆固醇，可探测和清除人体内的癌细胞，进行视网膜开刀时，大夫可将遥控机器人放入眼球内，在眼球运动条件下进行高难度手术。除此以外，在细胞操作、细胞融合，精细外科，血管、肠道内自动送药等方面应用甚广，所以微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨大，为人类最终征服各种绝症和延长寿命带来了希望。

在宇航中，已可用全集成气相色谱微系统散布在广漠的太空中，进行星际物质和生命起源的探测。将特制微机器人送到某星球上，在星球上飞行，所载摄像系统即能协助轨道器画出星球的地形地貌图。航天领域应用微机械的目标是研制微小卫星和微小飞行器。航天事业面临的主要问题是设计研制周期长，花费大，可靠性得不到保证，也不能同时满足军用和民用的需要。那么，研制微小卫星就