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1、项目类别 预研 指南代码 5011 编 号 江苏省基础研究计划（自然科学基金）江苏省基础研究计划（自然科学基金） 项项 目目 申申 请请 书书 项目名称：微小型化学机械系统制造的关键技术研究 申 请 人：涂善东 申请人电话：13705189838 联 系 人：赵建平 联系电话：025-83587062 所在单位：南京工业大学 通讯地址：中山北路 200 号 邮政编码：210009 电子信箱： 申请日期：2004 年 4 月 8 日 江苏省自然科学基金委员会 二 00 二年制 填填 报报 说说 明明 一、填写申请书前，请先查阅江苏省基础研究计划（自然科学基金） 管理办法及江苏省基础研究计划（自然
2、科学基金）项目指南 。申请书各 项内容，要实事求是，逐条认真填写。表达要明确、严谨，字迹要清晰易辨。 外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现的缩写词，须注出全称。 二、封面右上角项目类别和指南代码由申请者填写，编号由省基金办填 写。 三、封面“联系电话”和“联系人”填写单位科研主管部门电话和科研 管理人员姓名。 四、申请书用 A4 纸正反打印，纸质封面装订,禁用塑料封面,不得活页装 订,一式两份，由所在单位审查签署意见后，报送江苏省自然科学基金委员会 办公室。 （地址：南京市北京东路 39 号 江苏省科技厅 210008） 简表部分栏目填写要求： 项目名称应确切反映研究内容和范围，最多不超过
3、 25 个汉字 (包括标点符号） 。 起止时间起始时间从申请的当年算起。 所在单位名称按单位公章填写全称。 参加单位数指研究项目组主要成员所在单位数，包括主持单位和合作单位(合作者所在单位)，以阿拉伯数字 表示。 简表： 项目名称 微小型化学机械系统制造的关键技术研究 类 别 C A.面上 B1.创新人才(学术) B1.创新人才(技术) C.前期预研 D.重点招标 指南代码 5011 申请金额 30万元 总投资60万元起止时间 2004年 至 2007年 所用实验室 A.国家重点 B.部门开放 C.省级重点 项 目 概 况 工 程 中 心 A.国家级 B.省级 姓名 涂善东 性别 男 出生年月
4、1961-11 身份证号码510103611104737 专业技术职务 011 代 码A A.正高 B.副高 C.中级 申 请 人 学 位 A A.博士 B.硕士 C.学士 最终学位授 予国或地区 中国 第一承担单位 南京工业大学 邮政编码210009 单 位 性 质 B A.部属高校 B.省属高校 C.部属院所 D.省属院所 E.医院 F.企业 G.其它 联系电话025-83587062 推 荐 部 门 江苏省教育厅 推荐部门代码 412 承 担 单 位 第二承担单位 南京航天航空大学 第三承担单位 总人数 高级 中级 初级 博士后 博士生 硕士生 参加单位数 9 6 2 0 0 1 0 2
5、 姓 名 身份证号码 专业技 术职务 所在单位名称 项目中 的分工 签名 朱荻 320113540511483 正高 南京航天航空大学 微制造 凌祥 320106670610203 正高 南京工业大学 系统测试 巩建鸣 320106621002207 正高 南京工业大学 封装技术 殷晨波 320103631104207 正高 南京工业大学 微机械控制 耿鲁阳 320106760514201 中级 南京工业大学 仿真制造 雷卫宁 340103630629451 副高 南京航天航空大学 机械制造 项 目 组 主要成员（不含申请者） 曲宁松 210105196801181432中级 南京航天航空大学
6、 微细加工 （限 200 字） 本项目针对微小型化学机械系统制造的关键技术进行研究，主要包括： 1)高性能反应表面的制造技 术 2)高性能传热和传质表面的制造技术 3)微小型化学系统的封焊技术 4)封焊结构的可靠性 实现微混合器、微换热器、微反应器制造技术的突破，并具体实现制氢系统和化学气体传感器的微 小化。 主 要 研 究 内 容 及 技 术 指 标 主题词（不超过 3 个） 微型化学机械 微制造 可靠性 一、 一、 。立项依据和目标 （一）立项依据 立项依据和目标 （一）立项依据 1、 本项目国内外科技创新发展概况和最新发展趋势； 在过去几十年中电子器件的微小化改变了人类的生活方式，晶体管
7、的发明使得无线 电设备可以方便携带，而芯片的发明更是革命性的，使得掌上电脑、无绳电话及其他微 型电子设备大量出现，微机电系统技术（MEMS：Micro- Electro- Mechanical Systems） 亦应运而生，这些变化当归功于电子器件微小化。 但是人类进入 21 世纪以后，纳米科技的研究急速兴起，生态环境和能源问题成为 焦点，人们将更加关注空间科技、地球科技和海洋科技，新的形势对特种机械装置的微 小化提出了迫切的要求，如化学化工装置。尽管电子元器件实现了高度的微小化，但当 它们应用于过程机械装置时，涉及化学化工、热力过程的微小化，由于这些与过程工艺 相关的部件不能同步微小化而阻碍
8、了先进科技的发展，如氢能提供了解决未来能源和环 境问题无限可能，但应用于汽车、深海装置（潜艇等）时，制氢系统的微小化是关键； 对于微型飞行器，要实现其良好的作战性能，化学能源动力装置的微小化是不可回避的 问题。因此在新的一个世纪里微型化学机械系统(本项目组将其称之为 MCMS：Micro- Chemo- Mechanical System)与微机电系统（MEMS）将具有同等的重要性而得到广泛的 重视1。 国际上发达国家较早地注意到了化工过程机械微小化的巨大潜力，据 Science 报导: 美国Sandia国家实验室已实现毫米尺度微型发动机的制造， 推重比达到100:1 （常规10:1） 2。发
9、达国家在 20 世纪 80 年代便开始进行了反应与换热设备小型化的研究，如德国 Karlsruhe 的核能研究中心在 80 年代末开发的 1 立方厘米小型换热器的换热功率最大可 达 20KW；90 年代初开始了微小型化工（动力）机械系统的研究，如美国能源部的太平 洋西北国家实验室（PNNL）在美国国防前沿研究署及能源部的支持下开展了微型化工 系统的研究，而后又纳入微型热系统的概念，并注册了名为 Micro-CATS（Micro- Chemical and Thermal System）的开发平台3，针对能源、空间技术、军事、运输、环 保、建筑领域的需求开发了微型换热器、蒸发器、微型热泵、微型反
10、应器、微型吸收器 等尖端设备4。目前美国 Oregon 州立大学也与 PNNL 合作开展了以微技术为基础的能 源与化工系统（MECS）的研究5；麻省理工学院开展了微燃烧器技术的研究6；美国 Cornell 大学还试图采用生物分子马达驱动的纳米化学机械系统7。从 1997 年迄今，针 对微型反应技术已召开了 6 次国际会议，可见这一领域已渐成学科前沿的热点。 在今后二十年里，微型化学机械系统将在越来越多的领域发挥重要作用，例如： ? 带小型制氢装置的燃料电池驱动的潜艇在近年内实现海底作业 ? 汽车燃料电池的制氢系统实现高度紧凑化， 体积为 0.3 升的燃料处理器可以实现 50 kW 以上的电功率
11、输出。 ? 便携式冷却装置中热泵的体积比传统热泵体积缩小 60 倍以上。 ? 在发射飞船进行火星探测时，实现推进剂和氧气的现场制造。 ? 酶和高性能化表面结合组成的微生化系统得以发展。 ? 2020 年实现纳米化学机械系统。 现阶段的微小型化学（化工）机械系统（MCMS）比之于其他微机电系统尺度还相 对较大，但小型化的化学机械系统已在许多场合实现成功运作，特别是微型核反应堆的 试运行、燃料电池动力潜艇的试航、微透平机械、以及微化学仪器的应用等8-10，使 得微小型化学化工机械系统的制造技术和质量显得尤显重要。 MEMS 封装技术有许多值 得 MCMS 借鉴之处，但由于微小型化学化工机械的功能是
12、传热、传质和化学反应，因 此提高单位体积下的功率或效率十分重要，同时由于系统在带温度、压力和腐蚀介质的 情况下工作，因此服役条件更为苛刻，对可靠性的要求也更高。 为了实现高的传热传质和反应效率，高性能机械表面的设计加工是关键，目前已实 现的一些复杂机械表面如图 1 所示。微反应器微通道制造技术主要有: a. 照相平板印刷 和湿蚀 11; b. 电化学刻蚀, 如掩膜法12、 13 , 扫描电化学显微镜 （SECM） 法13, 14, 约束刻蚀剂方法15, 超短电位脉冲法16, 电化学扫描隧道显微镜17, 18; c. LIGA 技 术19; d. 激光束加工20, 21，e. 离子束刻蚀22等等
13、。大部分反应都需要催化剂进行 催化，如何在微反应器的表面形成良好的催化剂层是微反应器制造的难点问题，目前已 尝试的方法有溶胶/凝胶体 （sol/gel） 涂层法23、 纳米颗粒涂层技术24、 化学气相沉积、 铝的阳极氧化技术等等。对于微型化学机械系统，关键问题是采用何种方法加工成何种 机械表面能最有利于高效传热、传质和化学反应的要求。 （a） 微型混合器的槽道(IMM) （b）微气泡塔的孔洞(IMM) （c）催化剂多孔表面(本项目组) （d）原子力显微镜下催化剂表面(PNNL) 图 1 各种复杂机械表面 另一个关键问题是微小型化学机械系统的封装。由于不同的使用温度对材料的 要求不同，因此封装工
14、艺也有很大差别。目前微型化学机械系统一般采用多层槽道板重 叠布置，如图 2 所示，采用扩散焊进行封焊。扩散焊一般在高温真空环境下进行，封焊 温度较高，这是其技术的难点所在。如对于铜，扩散焊温度要求为 630以上，而对于 不锈钢则在 920以上，因此其制造难度较采用软钎料封焊（200）的 MEMS 大得多 25。高温封焊时，在顶部施加液压载荷，使得材料界面发生非弹性变形，由此实现层 间的扩散焊连接。扩散焊技术涉及材料表面处理工艺、过渡层成分的优化、温度压力的 控制等问题，但目前均缺乏科学规范的支持，由此导致了产品质量严重的不稳定。只有 合理地解决这些基本问题，才有可能大幅度提升微化学机械系统封装
15、的质量，由此推进 微化学机械系统的应用。 图 2 微化学机械系统中的槽道板和迭层结构 对于封焊技术的改进，科学的方法一般都是从试验和理论模拟两个方面着手。对于 常规的熔焊技术，焊接试验方法已相对完备，理论研究集中在焊接过程的模拟和接头本 身的强度研究。对焊接过程的数值模拟国内外学者均做过大量研究工作26, 27; 对于焊 接结构强度与设计准则的研究28, 29, 目前已经在焊缝的疲劳性能、局部蠕变性能测量 30，接头的损伤力学模拟31, 32、接头的断裂力学参量等方面有了相对透彻的研究 33，对于熔焊结构在高温下应力再分布导致的宏观尺寸效应也有了较好的研究基础 34。在这些方面，本项目申请人已
16、做了大量基础性工作，并得到国际学术界的充分肯 定35。但是由于过去封焊结构使用的条件较为温和，因此对其可靠性研究的迫切性不 如熔焊结构，随着以扩散焊为代表的封焊结构在 MCMS 中广泛应用，如何在制造过程 中提高封焊结构的可靠性便显得十分迫切。遗憾的是，对于高温扩散焊技术的理论研究 还十分薄弱，已有的针对电子封装的研究工作大量地集中于熔点较低的软钎焊 36-38， 且主要地针对焊后的评价，对于封焊过程的理论分析也明显不足。近期的一个重要进展 是日本 Sakane 教授发现钎料试样在疲劳时有明显的尺寸效应，在大尺寸时显示数据集 中，且强度较高，而小尺寸试样则相反39。 所谓“尺寸效应”是指，在一个现象里面，所讨论对象的宏观尺寸会与其他力学或 物理特征量混合成
