《数字技术》PPT课件.ppt

纳米机械学是适应微型机电系统设计研究的需要而产生的一门学科。所谓纳米机械学，就是研究纳米尺度对象的机械结构、特性及测量分析，以及进行相关微系统设计的学科。纳米机械学包括微机电系统（MEMS）、微纳加工和纳米摩擦学三个部分。,一、概述 1、微机电系统,微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，简称为MEMS)是融合了硅微加工、LIGA和精密机械加工等多种微加工技术，并应用现代信息技术构成的微型系统。,一、概述 1、微机电系统,微机电系统是在微电子技术的基础上发展起来的，但又区别于微电子技术。目前与集成电路(IC)相联系的微电子加工主要是“平面”加工技术，而MEMS则需要“立体”加工技术。,在一定的意义上可以说，MEMS超越了IC，因为它不仅含有进行信号处理和控制的集成电路功能，而且还包括感知外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感功能(sensor)和(或)控制对象的执行功能(actuator)。,一、概述 1、微机电系统,一、概述 1、微机电系统,1987年，美国斯坦福大学发明了基于表面牺牲层技术的硅静电微马达(转子直径120微米，电容间隙2微米)，标志着具有信息处理功能的集成电路可以与有力和运动输出的执行部件集成制作，是MEMS技术的开端。,图5-2 直径为100m的微型马达,一、概述 1、微机电系统,MEMS制造方法不断更新，新的器件和系统不断涌现。,作为信息获取关键器件的多种传感MEMS，已成功地应用于汽车、电子等行业和军事领域。,近几年，采用MEMS技术的微型卫星、微型飞行器和进入狭窄空间的微型机器人，已展示了诱人的应用前景。,一、概述 1、微机电系统,在信息技术和生命技术的发展中，MEMS更将起不可估量的作用：,光MEMS(又称MOEMS)被认为是未来全光通信的关键器件；射频MEMS(RF MEMS)将成为移动通信及各种无线通信和传感的一项核心技术；高密度MEMS生物芯片将强有力地推动生命科学和生物技术的发展。,一、概述 2、MEMS技术的特点,学科上的交叉性：MEMS涉及力学、材料、电子、光学、热学、机械、生物、化学、物理等学科，是这些学科前沿的综合；技术上的集成性：MEMS产品具有高功能密度；应用上的多样性：MEMS的应用领域包括信息、生物、医疗、电子、机械、环保、航空、航天和军事等等。它不仅可形成新的产业，还将通过产品的更新换代，有力地改造传统产业。,一、概述 3、MEMS发展概况,1993年，美国ADI公司成功地将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着MEMS技术商品化的开端；1995年后，MEMS技术从单一功能迈入系统集成阶段，并逐渐从着重于以微电子加工工艺将机械元件纳入集成电路的早期狭义的MEMS，大步迈向突出系统集成的微系统技术，广泛地包含了声、光、电和生物各种技术集成；,一、概述 3、MEMS发展概况,2000年，美国朗讯公司开发的基于MEMS技术的光开关的路由器已经试用，预示着MEMS发展又一高潮的来临；相对应于MEMS名词的局限性，MOEMS(Micro Optic-Electro Mechanical Systems，微光机电系统)，RF-MEMS(射频微机电系统)，Bio-MEMS(生物微机电系统)等变异名词相继出现；,一、概述 3、MEMS发展概况,近、中期的MEMS产品主要有三类：,1)传感MEMS：如压力传感器、惯性传感器、化学传感器等；2）信息MEMS：计算机及通讯产品的周边产品，如微型喷墨头、惯性鼠标等；无线通讯中RF-MEMS，如滤波器、电感等；MOEMS，如光开关等；3）生物MEMS：如生化检测的生物芯片等。,MEMS与宏观机电系统相比，不仅几何尺寸大大缩小，其自身还将有传统理论难以作出解释和预测的特定规律。在这一方面的基础性研究将极大地促进MEMS的发展。,二、MEMS的基础理论,二、MEMS的基础理论,尺度效应是MEMS中许多物理现象不同于宏观现象的一个非常重要原因。尺度效应的主要特征：,微构件材料的物理特性的变化，传统理论中常常被忽略了的表面力将起主导作用；某些微观尺度短程力所具有的长程作用效应及其所引起的表面效应将在微构件尺度起重要作用；随着尺寸的减小，表面积(L2)与体积(L3)之比相对增大，因而热传导、化学反应等的速度将加快。,包括：速度、角速度、加速度、压力、温度、湿度、气体、磁、光、声、生物、化学等传感MEMS。它是人类探知自然界的触角，是各种现代化装置中的神经元。,传感MEMS是指采用MEMS加工技术制造出来的、特征尺寸至微米级、具有将感受量转换成电信号的微型器件和系统。,三、传感MEMS,三、传感MEMS,传感MEMS技术是现代传感器技术的重要发展方向。MEMS传感器体积小、重量轻、功耗低、高可靠、成本低、易于批量化生产、易于集成化和多功能化，是各种自动化装置发展和现代武器装备必不可少的关键技术，其应用领域十分广泛，因而受到世界各发达国家的高度重视。,在科研方面，传感MEMS技术已成为当今科研开发的热点之一。,由于各国的发展策略和方法不同，形成了不同研发特色和方向。,三、传感MEMS,由于各国的发展策略和方法不同，形成了不同研发特色和方向。,三、传感MEMS,在技术推动方面，美国的传感器行业在MEMS技术商品化方面发挥了较大的作用，如：硅-硅键合技术使许多大批量生产的产品（如医疗用传感器）的成本降低，并且引发了各种MEMS传感器的第一次商品化的高潮。,由于各国的发展策略和方法不同，形成了不同研发特色和方向。,三、传感MEMS,在产业化方面，主要是通讯、自动控制、测量等IT产品市场和生物医疗领域市场所需要的产品。据预测，到2008年，MEMS的国际市场将达到五百亿以上，年增长率将达到20-30。,四、信息MEMS,现代信息技术的基础和核心是微电子技术，从微电子技术二维加工发展成三维加工的MEMS技术，必将对信息技术的新发展产生重大作用。,四、信息MEMS,通过信息MEMS器件取代传统的器件，可以实现现代信息领域的微小型化和技术性能的提高。信息MEMS中已形成产业的有硬盘读写头、喷墨打印头等。目前的研究热点是全光通信和移动通信中的MEMS技术，如MEMS光开关和RF-MEMS开关等。,四、信息MEMS,国外一些大研究机构从90年代初开始信息MEMS的研究。,朗讯科技公司已对光MEMS已经进行了六年左右的研究，成功地研制出了实用型MEMS光开关，采用这种光开关已制作出8通道的OADM(光分插复用器)和全光波长交换的256X256的OXC(光交叉互连器)；,四、信息MEMS,国外一些大研究机构从90年代初开始信息MEMS的研究。,美国DARPA计划在90年代支持了第一批RF-MEMS项目，目标是反导用高性能相控阵雷达中的移相器模块和作为其基础的RF MEMS开关技术。,四、信息MEMS,国外一些大研究机构从90年代初开始信息MEMS的研究。,以MEMS光开关为代表的光MEMS技术已经成为MEMS领域的热门和生长最快的研究方向，光MEMS技术已开始在光通信中应用。,四、信息MEMS,国外一些大研究机构从90年代初开始信息MEMS的研究。,RF-MEMS器件的研究比光MEMS器件起步晚，目前也已研制出了许多性能良好的样品。采用MEMS技术实现了射频器件和电路性能的优化和更高的集成度，应用领域包括移动通信、相控阵雷达和卫星通讯等领域。,五、生物MEMS,生物MEMS是一类应用MEMS加工技术制造的化学生物微型分析和检测芯片或仪器。它把生化检测过程中的进样、反应、分析、检测等功能通过在固相基片上的微反应器(微流体腔和微流体管道)实现。,五、生物MEMS,借助于MEMS加工技术制备的微阵列芯片是生物MEMS研究的重要部分。药物缓释芯片以及其它与生物医学诊断及治疗相关的芯片式微型装置和仪器也是生物MEMS的研究内容。,五、生物MEMS,生物MEMS在功能上具有获取信息量大、分析效率高、样品用量少、操作简便、可实现生物和化学信息的实时自动化检测等特点。因此，在生物医学、化工、制药、农业、环境监测、国家安全等许多研究和应用领域有重要的应用。国际上生物MEMS的研究已成为热点，竞争十分激烈。,五、生物MEMS,生物MEMS可实现分子信息(特别是生物分子信息)的低样本、快速、高通量、动态和低成本检测与分析，特别是其大通量并行化采集生物信息的特点是目前其它分析技术所无法相比的，它对制药、化工、环保、医疗等相关产业有着很大的带动作用。,六、其他MEMS应用系统,经过十余年的发展，国外的MEMS研究已经取得了长足发展，部分器件已经实现了产业化，如微型加速度计、微型压力传感器、数字微镜器件(DMD)、喷墨打印机的微喷嘴、生物芯片等不下于数十种，并且应用领域十分广泛。,六、其他MEMS应用系统,目前已发射基于MEMS技术的纳型卫星有：,俄罗斯航天研究院SPUTNIK-2卫星；美国Aeroastro的Bitsy卫星；美国Arizona大学的AUSat卫星；美国Stanford大学的SQUIRT-2卫星；英国Surrey大学的SNAP-1卫星；美国Stanford大学的PicoSat卫星；墨西哥Anahuac大学的AniSat卫星等。,六、其他MEMS应用系统,目前在美、日、德等发达国家十分重视应用MEMS技术的微型飞行器的研究。,美国的MLB公司研制出翼展为45厘米的微型飞行器Bat；Aero Vironment公司研制出名为Black Widow的直径15厘米的圆盘状微型飞行器；Intelligent Automation公司制作了长15厘米，重90克的微型飞行器。,六、其他MEMS应用系统,目前在美、日、德等发达国家十分重视应用MEMS技术的微型飞行器的研究。,日本东北大学利用MEMS技术制造出了一只靠磁力矩驱动的飞行装置，该装置宽30毫米，长20毫米，重5.3毫克。,六、其他MEMS应用系统,目前应用MEMS技术的微型机器人研究主要有工业应用微型机器人、医疗应用微型机器人、空间和军用微型机器人三大应用领域。,六、其他MEMS应用系统,日本最早开展工业应用微型机器人研究：,Denso公司研究了压电元件驱动的管道微型机器人，可以搭载微型摄象机，探测管壁缺陷；早稻田大学研制了能够进入体内的微量施药机械人；东京大学、名古屋大学研制了能进入人体血管的微型手术机器人（直径1-2mm）。,六、其他MEMS应用系统,美国国家航空航天局喷气推进实验室(NASAJPL)和国防部高级研究计划署(DARPA)合作，从1996年起，陆续制定出一系列计划，发展空间和军用微型机器人。,如：火星漫游微型机器人Sojourner，1997年7月在火星着陆，长60厘米，高和宽30厘米，装有摄像机和多种传感器。,六、其他MEMS应用系统,目前，开发的军用微型机器人有三大类：,第一类为固定型，外观像石头、树木、花草，装有各种微型传感器，可以探测出人体的红外辐射、行走时的地面振动、金属物体移动造成的磁场变化等。信号传送到中央指挥部，指挥部可控制防御区内的武器自动发起攻击。,六、其他MEMS应用系统,目前，开发的军用微型机器人有三大类：,第二类为机动式的微型机器人。它们装备有太阳能电池板和计算机，可以按照预定程序机动到敌人阵地与敌人同归于尽。,六、其他MEMS应用系统,目前，开发的军用微型机器人有三大类：,第三类是生物型，研究将微型传感器安装到动物或昆虫身上，构成微型生物机器人，使其进入人类无法到达的地方，执行战斗或侦察任务。,六、其他MEMS应用系统,法国早在95年已研制出直径1厘米、长3厘米的微型机器人。该机器人可在胃肠道特定部位施放药物，观看病灶情况，甚至可以用丝线套住、结扎小肿瘤并将其切除。德国Karlsruhe大学的机器人研究所正在开发一种用于细胞操作的移动式微型机器人(Minop)。,医疗应用微型机器人的研究：,