微型机械

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　　微型机械是指集微型机构、微型传感器、微型执行器、微型驱动器、信号处理系统、电子控制电路以及接口和通讯器件等于一体的几何尺寸极小的微型机电一体化产品。它以毫米甚至微米作为度量单位，必须借助于专用装置才能观察其工作状况。微型机械的含义十分广泛，在科技界，它们统称“微机械”或“微型机械”。^[1]

　　微型机械与一般的机械相比，不仅是体积的缩小，而且在力和运动原理方面、材料特性、加工、测量和控捌方面上都将发生很大的变化，具有以下明显的特点：

　　(1)在微型机械中，所有几何变形是如此之小(分子级)，以致于结构内应力与应变之间的线性关系(虎克定律)已不存在；

　　(2)一般机械中，摩擦副表面受较大的压力，使局部表面产生塑性变形：在微型机械中，由于运动质量很小，因而产生的压力也很轻，表面形变在弹性范围之内。此时，摩擦表面的摩擦力主要是由于表面之间的分子相互作用力而引起的，再不是由于载荷压力引起的。研究微型机拭中的摩擦，就要研究零、部件表面原子和分子层的性质，即所谓“微摩擦”研究微摩擦的且的，就是在压力和质量小的条件下获得无磨损的条件；

　　(3)在微型机械中，大量地用到各种各样的薄膜材料。薄膜的厚度一般在几十纳米到几十微米这些薄膜材料的机械、物理特性与宏观尺寸(和几个毫米或更大相比)相同的材料的特性有着很大的差别，其加工、制作方法也与大块材料不一样。比如，硅材料在宏观尺寸上给人的感觉是脆性，材料强度很低。但在薄膜状态，它确具有很高的韧性，并且不像金属材料那样会产生疲劳破坏；再如，压电材料制成薄膜后，其机、电性能都较块体的压电材料有明显的提高。种种迹象表明：当材料绝对尺寸减小到一定程度时，材料的许多性能将产生巨大变化，有些甚至是质的变化。传统的关于材料的研究的各种理论和方法，已不完全适合于馓材料特性的研究。因此有必要从微型机械应用角度重新认识、发展和完善传统的材料科学；

　　(4)微型机械的加工方法，不同于传统的机械加工方法。目前常规的微型机械制作，主要靠硅技术。由于硅结晶方向的限制，这种常规微结构制作仅限于平面型结构。德国卡尔斯鲁厄核研究中心微结构研究所发展了一种技术——LIGA(德文Lithographie，Galvanoforming，Abfovmung的缩写)技术，该技术包括三个工艺过程：深层同步辐射x射线光刻、电铸和模铸成型。它可进行三维任意方向几何形状微结构的制作，其结构高度达数百微米，最小尺寸为1m，被加工的材料可以是塑料金属及陶瓷或这些材料的组合。LIGA技术制作微结构较硅技术有一个很大的飞跃，突破了传统平面工艺，为微型机械的制作提供了新的技术手段；

　　(5)微型机械的发展要求人们能够实现原子级尺寸微结构的分辨与加工能力，也就是具备纳米级的检测和控制技术。为此，产生了一系列新原理的检测和控制技术，其中最典型的代表就是8O年代由美国人发明的扫描隧道显微镜。这些技术涉及科学领域多种多样，绝对不是某一专业的人所能全面掌握和了解的，但它们的确是微型机械研究的基础。

　　此外，从使用的角度而讲，微型机械还有以下特点口一：由于它以硅材料为主，其机械性能优良，如强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近铜和钨，地球表面有28％的石英，几乎是取之不尽；由于它的尺寸、体积、质量和惯性小，谐振频率高、响应快、耗能低、性能稳定，有利于大批量生产，降低成本}它的结构可以复舍，可做成微传感器列阵、多徽执行器系统，甚至更复杂的微系统；将微传感器、微执行器、镦处理器等集成在一块芯片上构成高可靠性微型机电系统，具有信号处理和控制功能；通过微型化、集成化可以探索新的原理，新功能的元件和系统，将开辟一个新技术领域，形成批量化产业。