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1、研究生课程答题本考试科目：机械工程专业前沿讲座授课老师：肖汉斌 等年级专业： 2013级机械工程考生姓名：沈威学 号：机械工程学科前沿调研报告微纳机械的综述 沈威（物流工程学院机械工程 1308 班 学号：1049721302798） 摘要：微纳机械是在微电子技术的基础上兴起的一个多学科交叉的前沿领域，集 约了当今科学技术发展的许多尖端成果，在汽车电子、航空航天、信息通讯、生 物医学、自动控制、国防军工等领域应用前景广阔。综述了微纳结构特征的制造 工艺进展及趋势。介绍了微纳机械的基础理论研究现状和发展趋势。 关键词：微纳机械;基础理论;微纳结构;制造工艺1 前言目前，MEMS技术相关的基础理论
2、，设计方法和制作方法的研究相对滞后， 长期以来， MEMS 设计者大多是通过直接制造原型的方法来验证设汁正确与否， 浪费了大量时间和经费，也束缚了 MEMS 技术的发展规模与速度，因此，加速 微型机械设计方法的研究和建立微机械学领域中新的设计理论体系势在必行。2 微纳机械学基础理论目前， MESM 的研究主要还是依赖经验和反复试探，微纳机械学研究正处 在起步阶段，远未形成系统的理论体系，这已经严重地阻碍了 MEMS技术的进 一步发展。因此，微观尺度下的基础性理论研究显得尤为重要。一方面微纳机电 系统涉及广泛的学科融合，从任何单一的学科出发，难于推演出有效的分析方法 和实用的设计准则。另一方面，
3、当系统的尺度趋于微米、纳米级时，主导的物理、 机械量发生变化，甚至必须考虑新的物理效应，例如，热涨落效应，表面效应、 量子效应等1-2。同时，由于微纳系统的空间密集性，各种物理现象的耦合作用 增强。总体上讲，主要聚焦于考虑尺度效应的力、运动、热传、流体学等问题。2.1 微机构及其动力学建模与分析（1）在某些 MEMSNEMS 中，虽然也可以发现与常规机电系统零件几何或 拓扑相似的构件（微齿轮、微连杆、微气动轮），但其组装而成的系统在运动学上 的表现便可能与宏观世界对应的系统不同。例如，宏观一米的几何特征加工误差 可控制到微米级别，即误差仅为特征几何的10-6。这样的误差比率在目前或未来 的微纳
4、加工手段中很难达到，因此构件的几何误差或连接间隙对微机构运动学和 静力学的影响不容忽视。同时，微尺度下微构件之间的相互物理作用 （黏附、摩 擦）缩小的几何特征尺度和增高的加工误差比率，对微机构的多体运动学分析和 动力学控制建模分析会带来不小的挑战；（2）很多MEMS/NEMS中虽然采用了几何上简单的微梁、微纳薄膜、微流道 等结构特征，但系统对外部的传感测量或对外部的作用往往基于复杂的物理效 应，如热电效应、电泳效应、磁致效应、压电效应、电感效应、隧道效应、物理 状态或几何的记忆效应等。对这些物理效应引发的机械运动或机械运动引发的物 理效应的分析涉及到多物理定律支配的耦合问题。对这些耦合问题的建
5、模与分 析，也设计MEMS/NEMS的主要理论依据，也可能导致全新物理机理的 MEMS/NEMS 的诞生；(3)为了实现MEMS/NEMS的复杂机械运动或特殊动力学特性，一方面可以 采用多体构件组成的机构获得多个自由度；另一方面则可以通过多位置的物理效 应驱动单体构件的几何与拓扑变形引发多自由度的微动。因此，面向运动实现的 物理驱动原理的研究与微部件结构设计方法将会是一个研究趋势；还有其他各种 化学、生物能驱动的微纳机构实现原理。2.2 微纳尺度的摩擦与磨损微尺度对微摩擦和磨损的机理提出了一些特殊的要求，如各种作用力都随着 器件尺寸的减小而发生急剧的变化，主导作用发生本质的彼此消长。正比于面积
6、 的阻力(如摩擦力、黏性力、表面张力、静电力)与正比与体积的作用力(如惯性力、 重力等)相比，增大了几个数量级。(1) 对于作为运动阻力的摩擦，由于微机械的能源很小，因此应尽可能降低 摩擦能耗，甚至实现零摩擦。另一方面某些微机械也往往利用摩擦作为牵引和驱 动力。由于摩擦力是接触界面的积分效应，所以在微尺度下怎样维持接触面处稳 定的摩擦力，也就是微摩擦系统的稳定性将是研究的主要内容；(2) 大部分表面效应都与温度有关。微尺度下，机械力学化学和电等现象都 依赖于热能或被热能所加强。在微滑动摩擦下，输入的摩擦能将产生材料的塑性 变形并在摩擦界面处转化为热能。塑性变形的迟滞也导致热能的增加。材料的弹
7、性模量、硬度等机械性能和润滑性能随着摩擦界面的温度升高而蜕化，所以研究 将关注表面物理或化学修饰、固体润滑或涂敷等减摩效应；(3) 在微尺度下，界面处的相对运动幅度小，而频率高，且微机械表面大都 处于分子级光滑接触，摩擦磨损机理将会是全新的。2.3 微流体动力学与微传热学微尺度流道中的流体动力学是各种生物芯片(包括微流体芯片、微阵列芯片 等)和某些流体驱动(液动或气动)微器件的重要理论基础。(1)微流控系统中流体 试样的层流输送、分离和混合的流道结构设计； (2)微流道中流动的边界物理机 理分析、实验和数学模型建立。新的物理边界条件方程与Navier-Stokes方程的联 合求解法。微流道的层
8、流效应、分子扩散规律模拟； (3)对微尺度结构或介质中 的热传导行为的关注。2.4 MEMS/NEMS 可靠性和公差理论(1)在MEMS设计中，现有的设计手段方法仅允许考虑器件工作原理的实现， 无法了解其物理参数的误差对其工作过程的影响。 (2)器件加工制造过程中在构 件中产生的残余应力、在表面产生的物理或化学改性对器件工作物理性能退化及 服役失效的影响，也是MEMS的可靠性设计必须考虑的。(3)目前的微纳制造工 艺无法获得宏观制造中那样优异的误差与特征尺寸之比，意味着加工中的相对误 差很大，这将对器件工作特性的一致性产生影响，宏观机电系统的可靠性理论可 能不适合再使用。2.5 MEMS/NE
9、MS设计理论与仿真工具技术最后，独立的机械、电、磁、热、光等方面的分析方法和设计准则或简单的 任务相加将不在有效。所以必须探索多领域、多学科的综合设计思路。研究相关 设计支撑软件工具的实现技术。我们应该遵循有限目标的原则一，针对微纳机电 系统设计需要，在若干个普遍存在的关键问题上，通过实验研究和理论分析，揭 示微构件、器件或系统的性能与影响因素的相关性和变化规律，为微纳机电系统 的设计提供可资依据的理论成果，并在一些典型的微纳机电系统设计中加以应用 和检验。3微纳结构特征的制造工艺进展和趋势MEMS/NEMS微纳制造工艺技术的发展循依三条技术路线：以微电子生产工艺为基础的硅微工艺、以微细特种加
10、工和微材料成形或改性 为基础的非硅工艺、以“自下而上”分子操作和材料制备方法为基础的化学或物 理合成技术。极高分辨率成形或改性；分子级别微观操作和自组装。硅微工艺在 国外发展较为成熟，已开始趋向亚百纳米器件和系统的工业应用阶段，例如，以 硅微工艺制造的纳米孔阵列，可以成为DNA分离、材料组分解析的工具。微细 特种加工和微材料成形或改性技术的研究主要瞄准了微纳系统对材料的多样化 和几何形状需求。“自下而上”的技术和材料制备方法则必须与前两者的融合才 能发挥其有效性。下面重点对微纳结构特征的制造工艺进展作以详述。3.1UGA和准LIGA技术在非硅工艺中，X射线光刻的LIGA技术较为成熟、属于微成型
11、模具制造的 范畴。但依其原理，演化出了多种准LIGA工艺，其加工的结构特征尺度可达亚 毫米级和微米级。如图1所示，为2003年美国亚利桑那大学采用Su-8准LIGA技术 制造了40*2000的器件。LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技 术，主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。目前 正在寻求X射线光刻的替代方案、电铸及模塑时的微复形介质的微流动和填充问 题、形状转移精度控制问题。图1 SU-8光刻LIGA工艺生成的大深宽比结构3.2纳米压印技术根据图形压印的技术特点，纳米压印光刻技术还能够细分为热压纹型压印技 术、塑造型压印技术和冲压型压印技术。刘忠范、
12、张锦教授等在国内率先建立了具有实用化前景的热压印型纳米压印 刻蚀系统，并且在压印模板制备方法取得重要进展。发明了直接利用蝉翼、蝉眼、 蝶翅等自然界中普遍存在的微纳米结构作为模板的纳米压印工艺，成功地在金 属、半导体以及高分子表面复制出各种天然纳米结构。该成果在small(2006， 2(12)，1440)杂志上发表后，立即受到Chemistry World， New Scientist Tech等高 度的评价。如图2所示，是以蝉翼上纳米结构(A)为模板，用纳米压印技术制备的 纳米结构(B)。图2以蝉翼上的纳米结构图3内含微流路通道的深亚微米三角形阵列2003年法国有人提出了采用纳米压印光刻制作
13、DNA电泳芯片的技术的研 究。采用压印光刻技术成功制作出了具有大深宽比通路的微流路装置和密集阵列 的浅纳米结构。证明了高密度纳米结构可以方便地复制并集成到复杂的微流路系 统中以应用于生物医学。如图3所示，是以320nm为周期的大约150nm直径的纳米 住三角形列阵，其内部又有微流路通道6。3.3微细切削加工技术微切削口了以适应多种材料(有机和无机材料，金属和非金履材料)，也可以 采用数控方式制作任意三微形态的构件，且可实现精确的几何误差控制。微切削 方面，德国，日本和美国的研究富有成果。如图4所示，为德国Aachen工业大学 采用数控微铳削加工在各种金属材料上得到的三维微结构。图4微切削加工生
14、成的金属三微结构3.4聚焦高能束加工高能束主要指激光束，电子束，离子束，其共同特点是聚焦束能量高而且有 极小的作用区域。激光束加工工件特征尺寸可以达到微米或亚微米；而电子束和 离子束加工可以达到纳米级。对于机械学科而言，主要研究高能束诱发的力学问 题（如应力集中与残余，热影响区域等）及其加工过程中稳定性，制造效率的提升。3.5微立体光刻成型技术采用高分子材料光固化堆积原理，用微细光束扫描光敏树脂表面，逐层堆积。 A. Bertsh等人对传统立体光刻方法（stereo lithography， SL，种快速成型方法） 进行了改进，并采用接近式照射逐层固化液态聚合物，以提高成型的效率和光学 分辨率
15、，并称之为微粒体光刻（Micro-L或mSL）。该方法制作的微型涡轮，直径 1.3m m，高度0.5m m的微型涡轮，共110层，每层4.51um，且为真三维结构。目前 mSL制作的结构特征在xy方向可以达到亚微米级（0.5um以上）、z方向则只能达到 微米级。日本东京工业大学，以色列特拉维夫大学，西安交通大学也对nSL进行 了技术研究。为了实现mSL进一步的微细化，粘性聚合物的薄层铺胶方法和成型 材料的制备，光学聚焦系统的设计是有待解决的关键问题。3.6聚焦能束诱发的气相或液相选择性沉积该法利用聚焦电子束或离子束，将气体化合物分解（如分解出碳，沉积在模 板上），逐层实现纳米级真三维结构的堆积
16、成形。由于光学系统光源、镜组等限 制了分辨率的提高，以聚束或投影光为能量进行立体光刻不可能完成纳米结构的 自由三位成形。聚焦电子束或离子束具有极小的波长，因此可以聚焦成纳米直径 的束斑。例如，日本人Kazuyuki Ueda等基于聚焦电子束诱发气相沉积原理 （electron beam induced deposition， EBID），在硅基片采用气相无机化合物逐层沉 积制作了纳米尺度的铜，钛质三位构件，并称相应过程为nSL，即纳米立体光刻 技术。为实现nSL，也可以聚焦离子束诱发气相沉积原理（ion beam induced deposition，IBID），过程与EBID完全相同。日本Seiko公司和Himeji工业大学的研 究员在FIB（聚焦离子束）设备中采用IBID原理制作出各种形状的纳米尺度真三维 结构。如图5（a）所示，为采用I
