納米科技概論(6)20140402(納米機(jī)械學(xué))

納米科學(xué)技術(shù)概論主講教師：楊輝、郭興忠納米機(jī)械學(xué)一、納米機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)二、納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)三、微機(jī)械/微型機(jī)電系統(tǒng)與制造技術(shù)四、納米摩擦學(xué)（自學(xué)）五、納米機(jī)械學(xué)研究進(jìn)展（自學(xué)）一、納米機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)（1）1、序言2、微機(jī)械的發(fā)展歷程3、納米機(jī)械學(xué)概念與內(nèi)容一、納米機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)（2）1、序言1）20世紀(jì)制造業(yè)與國家發(fā)展的關(guān)系A(chǔ)、20世紀(jì)是制造業(yè)大發(fā)展的世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)（AMT）：半導(dǎo)體、材料與器件、大規(guī)模集成電路與芯片、信息與電子、生物技術(shù)；先進(jìn)產(chǎn)品：汽車、機(jī)床、飛機(jī)、火箭、艦船、計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、移動(dòng)通訊設(shè)備、信用卡、機(jī)器人；B、制造業(yè)是國家發(fā)展和安全的基石。制造業(yè)與國家發(fā)展的關(guān)系：20世紀(jì)抓住制造業(yè)發(fā)展機(jī)遇的國家，都成為了發(fā)達(dá)國家;制造業(yè)是國家安全的保證：沒有制造業(yè)，就沒有保證國家安全的最基本的國防裝備自主權(quán)；《美國制造業(yè)的衰退及對(duì)策-奪回生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)》中指出：“失去制造就失去未來”一、納米機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)（3）1、序言2）21世紀(jì)是新制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)：小型化、微型化、集成化、智能化與信息化、機(jī)械/電子/新息一體化技術(shù)；實(shí)現(xiàn)微米/納米制造技術(shù)的兩類途徑：自組裝技術(shù)：利用物理、化學(xué)方法將分子與原子進(jìn)行組裝、構(gòu)成一定功能的微米/納米結(jié)構(gòu)：納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米化學(xué)微加工技術(shù)：利用精細(xì)加工技術(shù)制造微米/納米結(jié)構(gòu)：微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)（MicroElectro-MechanicalSystem,MEMS）一、納米機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)（4）2、微機(jī)械的發(fā)展歷程1）微機(jī)械的分類：小型機(jī)械：1毫米～

100毫米；微型機(jī)械：1-10微米～

1毫米；超微型機(jī)械：1-10納米～

1-10微米（納米機(jī)械）2）微機(jī)械學(xué)發(fā)展歷史：傳統(tǒng)原理支配的機(jī)械小型化階段：機(jī)械的單純小型化。仍舊沿襲傳統(tǒng)機(jī)械學(xué)的制造和使用原理：外載荷和體積力新型原理支配的微/納機(jī)械學(xué)階段：機(jī)械與納米的結(jié)合微/納米尺度水平的機(jī)械構(gòu)件材料特性的變化；構(gòu)件間的摩擦力和其他表面作用力；納米科技與機(jī)械學(xué)的結(jié)合：微/納機(jī)械學(xué)一、納米機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)（5）2、微機(jī)械的發(fā)展歷程一、納米機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)（6）2、微機(jī)械的發(fā)展歷程3）各國微型機(jī)械的發(fā)展概況：美國的發(fā)展情況：世界上最早研究的國家主要研究單位：貝爾實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、加州伯克利、猶他大學(xué)、威斯康星大學(xué)、波士頓大學(xué)等1965年，用硅片腐蝕方法制作腦電極陣列的探針；后來，用光刻技術(shù)做微米尺寸的微機(jī)械（P.124，圖5-1），直到近期的由78個(gè)原子構(gòu)成的分子馬達(dá)（P.124）日本的發(fā)展情況：起步略晚，發(fā)展很快（技術(shù)立國特色）主要研究單位：東京大學(xué)、早稻田大學(xué)、東北大學(xué)、名古屋大學(xué)等；成立了微機(jī)械研究會(huì)（1989年），召開國際會(huì)議（MicroMachineandHumanScience）特色：微型機(jī)器人德國為代表的歐洲國家發(fā)展情況（P.124）中國的研究發(fā)展情況（P.124）一、納米機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)（7）2、微機(jī)械的發(fā)展歷程一、納米機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)（8）2、微機(jī)械的發(fā)展歷程一、納米機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)（9）3、納米機(jī)械學(xué)概念與內(nèi)容1）納米機(jī)械學(xué)的概念：定義：研究納米尺度對(duì)象的機(jī)械結(jié)構(gòu)、特性與測(cè)量分析，以及進(jìn)行相關(guān)微系統(tǒng)設(shè)計(jì)的學(xué)科；學(xué)科背景：適應(yīng)微型機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的需要而產(chǎn)生的。2）納米機(jī)械學(xué)的研究范圍（P.126）：微/納米摩擦學(xué)：從原子、分子尺度出發(fā)，研究相互運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的接觸界面上的作用、變化與損傷機(jī)理和對(duì)策；微/納結(jié)構(gòu)材料力學(xué)：研究適用于制造微型構(gòu)件的性能獨(dú)特的材料，及其在環(huán)境影響下的變形響應(yīng)和失效規(guī)律；微機(jī)構(gòu)學(xué)：研究機(jī)械中的運(yùn)動(dòng)變換和動(dòng)力傳遞，以及機(jī)械系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)態(tài)特性；其他關(guān)鍵技術(shù)：與納米機(jī)械原理、制造及應(yīng)用相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，如微型機(jī)器人等一、納米機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)（10）3、納米機(jī)械學(xué)概念與內(nèi)容3）納米機(jī)械學(xué)的特點(diǎn)與發(fā)展：與傳統(tǒng)機(jī)械學(xué)不同的特點(diǎn)：作為微/納機(jī)械設(shè)計(jì)、制造與評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，在尺度、構(gòu)造、材料、制造方法和工作原理等方面不同；在學(xué)科基礎(chǔ)、研究內(nèi)容和研究方法等方面不同；發(fā)展特點(diǎn)：隨著基于納米尺度的新原理、新技術(shù)發(fā)展而不斷發(fā)展；將會(huì)出現(xiàn)更多的學(xué)科分支和內(nèi)容擴(kuò)充。4）MEMS的器件種類舉例（P.126）：IC：信號(hào)處理微傳感器：敏感檢測(cè)各種力學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)參量；微執(zhí)行器：微電動(dòng)機(jī)、微齒輪、微泵、微閥門等微型構(gòu)件：微梁、微探針等；微機(jī)械光學(xué)器件：微晶陣列、微光掃描器、微光斬波器、微光開關(guān)等微機(jī)械射頻器件（RFMEMS）：開發(fā)3G通訊技術(shù)器件微真空電子器件：場(chǎng)發(fā)射器件、照明器件、微電子傳感器等微能源/動(dòng)力源：剛起步，發(fā)展?jié)摿Υ蠖?、納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)（1）1、納米級(jí)尺寸精度與位移的測(cè)量方法2、納米級(jí)精度的多維尺寸測(cè)量3、納米級(jí)表面形貌的測(cè)量4、超精密測(cè)量的環(huán)境條件二、納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)（2）1、納米級(jí)尺寸精度與位移的測(cè)量方法1）常規(guī)測(cè)量方法的局限：常規(guī)測(cè)量手段：機(jī)械量儀（直尺、游標(biāo)卡尺、千分尺等）、機(jī)電量儀、光學(xué)顯微鏡，測(cè)量局限：測(cè)量分辨率和測(cè)量精度不夠、容易損傷被測(cè)表面2）基于激光/X射線等的新型光干涉納米測(cè)量技術(shù)：特點(diǎn)：非接觸式測(cè)量技術(shù)技術(shù)之一：雙頻激光干涉法納米級(jí)分辨率和較高的測(cè)量精度；仍然易受環(huán)境因素的干擾：如溫度、氣壓、濕度和氣流等技術(shù)之二：X射線（超短波長）干涉測(cè)量技術(shù)近年新發(fā)展的一種技術(shù)；具有分辨率高、測(cè)量范圍大的特點(diǎn)；二、納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)（3）1、納米級(jí)尺寸精度與位移的測(cè)量方法二、納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)（4）1、納米級(jí)尺寸精度與位移的測(cè)量方法布拉格方程：2dsin

=k

二、納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)（5）2、納米級(jí)精度的多維尺寸測(cè)量1）應(yīng)用：超精密加工、超精密零件測(cè)量2）超精密坐標(biāo)測(cè)量機(jī)二、納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)（6）2、納米級(jí)精度的多維尺寸測(cè)量3）超精密機(jī)床的多坐標(biāo)在線測(cè)量系統(tǒng)二、納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)（7）3、納米級(jí)表面形貌的測(cè)量1）應(yīng)用：測(cè)量試件表面的微觀形貌和表面粗糙度2）測(cè)試技術(shù)之一：表面輪廓儀測(cè)試原理：通過特制的探針與樣品表面的接觸進(jìn)行表面輪廓的測(cè)量探針特性：材質(zhì)：耐磨的金剛石；針尖：曲率半徑為0.05微米測(cè)量缺點(diǎn)：探針針尖直接與樣品接觸，試樣表面容易被劃傷3）測(cè)試技術(shù)之二：掃描電子顯微鏡4）測(cè)試技術(shù)之三：掃描探針顯微鏡（STM，AFM）二、納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)（8）3、納米級(jí)表面形貌的測(cè)量5）測(cè)試技術(shù)之四：激光測(cè)量通過激光照射表面時(shí)獲得的干涉圖像進(jìn)行分析二、納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)（9）4、超精密測(cè)量的環(huán)境條件1）超精密測(cè)量的要求：恒溫條件、隔防振條件、空氣潔凈條件、濕度條件、噪聲條件、光照條件、防靜電條件等2）恒溫條件：國際上測(cè)量溫度標(biāo)準(zhǔn)：20℃作為長度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)溫度高精度測(cè)量和超精密加工必須保持嚴(yán)格的恒溫條件測(cè)試條件：被測(cè)試樣品進(jìn)入恒溫室（或浸入恒溫槽內(nèi)）后，必須放置足夠長的時(shí)間才能進(jìn)行測(cè)量或者加工；溫度影響：測(cè)量/加工工具與樣品的熱膨脹系數(shù)（10-6-10-8）不同，溫度波動(dòng)等變化必然造成誤差二、納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)（10）4、超精密測(cè)量的環(huán)境條件表恒溫等級(jí)和允許的溫度差溫度變化影響分析：長度100毫米的鋼件，溫度升高1℃，則長度膨脹1.1微米長度100毫米的鋁件，溫度升高1℃，則長度膨脹2.3微米直徑為100毫米的硅片，溫度升高1℃，則徑向膨脹0.23微米需要更高的恒溫等級(jí)!恒溫等級(jí)0.2級(jí)0.5級(jí)1級(jí)2級(jí)允許最大溫度差±0.2℃±0.5℃±1℃±2℃二、納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)（11）4、超精密測(cè)量的環(huán)境條件美國LLL實(shí)驗(yàn)室的LODTM超精密機(jī)床：極為嚴(yán)格的恒溫控制技術(shù)（恒溫水澆淋機(jī)床發(fā)熱部分）恒溫水的溫度：20±0.0005℃機(jī)床恒溫水平：20±0.005℃二、納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)（12）4、超精密測(cè)量的環(huán)境條件3）消振和隔振條件：控制要求：高頻振動(dòng)較容易控制和消除，低頻率振動(dòng)比較麻煩低頻振幅控制在0.125微米以下控制技術(shù)防振地基：加隔振溝隔振器：彈簧隔振器/支撐/懸掛；橡膠隔振器；空氣彈簧隔振器組合隔振器二、納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)（13）4、超精密測(cè)量的環(huán)境條件4）空氣潔凈條件：我國的空氣潔凈度等級(jí)控制：主要控制直徑在0.5微米以上的塵粒數(shù)目二、納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)（14）4、超精密測(cè)量的環(huán)境條件4）空氣潔凈條件：美國209D的空氣潔凈度等級(jí)控制：主要增加了0.3微米、0.2微米和0.1微米直徑的塵粒數(shù)目控制要求三、微機(jī)械/MEMS與制造技術(shù)（1）1、微機(jī)械/MEMS的提出2、理論基礎(chǔ)3、材料基礎(chǔ)4、技術(shù)基礎(chǔ)5、部分器件/系統(tǒng)簡介（略）三、微機(jī)械/MEMS與制造技術(shù)（2）1、微機(jī)械/MEMS的提出1）微機(jī)械的分類：小型機(jī)械：1毫米～

100毫米；微型機(jī)械：1-10微米～

1毫米；納米機(jī)械：1-10納米～

1-10微米（超微型機(jī)械）2）MEMS（微型機(jī)電系統(tǒng)）廣義地，統(tǒng)稱微型機(jī)械三、微機(jī)械/MEMS與制造技術(shù)（3）1、微機(jī)械/MEMS的提出3）MEMS的定義與特點(diǎn)：定義：將微型機(jī)械、信息輸入的微型傳感器、控制器、模擬或者數(shù)字信號(hào)的處理器、輸出信號(hào)接口、致動(dòng)器（驅(qū)動(dòng)器）、電源等都進(jìn)行微型化并集成在一起的系統(tǒng)。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：內(nèi)部可分成幾個(gè)獨(dú)立的功能單元，同時(shí)又集成為一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)，集成特點(diǎn)：除了簡單的微型機(jī)械與電器件的集成之外，可包括光、聲、化學(xué)以及其它物理/化學(xué)/生物傳感器、或者光學(xué)子系統(tǒng)等更復(fù)雜系統(tǒng)在內(nèi)的復(fù)雜集成系統(tǒng)。功能特點(diǎn)：具有較強(qiáng)的獨(dú)立運(yùn)行能力，又能完成指定的工作要求。三、微機(jī)械/MEMS與制造技術(shù)（4）1、微機(jī)械/MEMS的提出4）MEMS的發(fā)展MEMS的研發(fā)歷史50年代提出概念，60年代開發(fā)了微型傳感器，70年代歐美公司規(guī)模介入研究80年代開始，歐美國家全面展開研究美國將航空航天、通訊和MEMS列為國家的三大科研重點(diǎn)，并有30多個(gè)有名的MEMS研究團(tuán)隊(duì)；歐洲目前有數(shù)百所院校、研究單位和公司進(jìn)行MEMS的研究；日本1991-2000年實(shí)施了250億日元的“微型機(jī)械技術(shù)”研究開發(fā)計(jì)劃不同國家MEMS的不同稱呼美國（MEMS）：在半導(dǎo)體集成電路工藝技術(shù)基礎(chǔ)上延伸和拓展而來，稱為微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)（MicroElectro-MechanicalSystem）歐洲：微系統(tǒng)（Microsystem）日本：微機(jī)器（Micromachine）三、微機(jī)械/MEMS與制造技術(shù)（5）1、微機(jī)械/MEMS的提出5）MEMS的產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景。應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)療與外科手術(shù)設(shè)備、航空航天工業(yè)、科學(xué)儀器、通訊設(shè)備儀器、傳感器工業(yè)、國防軍事工業(yè)、日用產(chǎn)品等產(chǎn)業(yè)規(guī)模與增速統(tǒng)計(jì)報(bào)告一：受歐洲共同體的支持并擁有近400個(gè)產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)成員單位的NEXUS（多功能微系統(tǒng)高級(jí)網(wǎng)絡(luò)）預(yù)測(cè)，MEMS產(chǎn)業(yè)的全球市場(chǎng)將從2000年的300億美元增加到2005年的680億美元，年均增長率20～30％。MEMS包括各種單片、混合、硅基器件和任何微機(jī)械制成的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)品；或者理解為MEMS及其相關(guān)產(chǎn)品。因而，NEXUS估計(jì)的銷售額要比美國市場(chǎng)研究公司的數(shù)字大好幾倍。統(tǒng)計(jì)報(bào)告二：美國舊金山Roger

Grace

Associates的調(diào)查預(yù)測(cè)2000年M3（MEMS、Microsystems及Micromachining的總稱）市場(chǎng)規(guī)模142億美元，2004年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)304億美元，綜合平均增長率達(dá)21%。以IT/外圍設(shè)備及醫(yī)學(xué)/生化產(chǎn)品為主要應(yīng)用，兩者占市場(chǎng)總值的68%，但若以市場(chǎng)潛力來看，則以通訊產(chǎn)品的應(yīng)用最具增長潛力。三、微機(jī)械/MEMS與制造技術(shù)（5）1、微機(jī)械/MEMS的提出統(tǒng)計(jì)報(bào)告三：擁有包括Corning

IntelliSense、Honeywell、Intel和Xerox等22家會(huì)員公司的MIG（美國微機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)，MEMS

Industry

Group

）預(yù)測(cè)，MEMS市場(chǎng)規(guī)模從2000年20-50億美元增加到2004年的80-150億美元，年均復(fù)合增長率75-86%；2004年平均每個(gè)美國人擁有5個(gè)MEMS器件。報(bào)告同時(shí)指出，未來20年間影響MEMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)包括需要開發(fā)與生物體相適應(yīng)的材料，還要將MEMS與電子、信息等技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生新的綜合功能。統(tǒng)計(jì)報(bào)告四：

美國市場(chǎng)研究公司In-Stat/MDR指出，微機(jī)電系統(tǒng)市場(chǎng)由2001年39億美元增長到2006年的96億美元，復(fù)合年增率約為19.7%

。微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常采用的MEMS技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于主要市場(chǎng)領(lǐng)域。雖然成熟的產(chǎn)業(yè)增長率相對(duì)較低，但通訊和消費(fèi)市場(chǎng)等領(lǐng)域的增長率將會(huì)高于MEMS的復(fù)合年增率。2006年以前，通訊和消費(fèi)市場(chǎng)等復(fù)合年增長率分別達(dá)151.4%和42.2%。三、微機(jī)械/MEMS與制造技術(shù)（6）2、理論基礎(chǔ)1）MEMS的發(fā)展的理論基礎(chǔ)MEMS除了宏觀機(jī)電系統(tǒng)的載荷與體積堆徹力之外，更多地受傳統(tǒng)理論無法解釋的新的特定規(guī)律（微納米水平的摩擦力，表面力等作用）支配；在新的物理學(xué)等理論基礎(chǔ)之上，才能發(fā)展和設(shè)計(jì)出高水平和高質(zhì)量的微結(jié)構(gòu)、微器件和MEMS系統(tǒng)2）物理參量的微尺寸效應(yīng)A、器件特征尺寸的微尺寸效應(yīng)進(jìn)入微小尺寸領(lǐng)域后，器件尺寸L對(duì)各種物理特性變化的影響是各不相同的（見后