微电子机械系统中微尺度热物性研究进展

微电子机械系统（MEMS）是结合微电子技术和微机械加工技术制造而成的微型机电一体化系统。MEMS中薄膜材料的厚度可达到微米、亚微米直到纳米量级。由于微尺度效应,薄膜材料的导热规律及其各种热物性参数（如比热、热导率、热扩散率等）与常规材料显著不同。设计MEMS时必须充分考虑微尺度效应,并使用合理的热物性参数值,才能保证微电子机械系统的热稳定性。本文从理论建模、实验测试和计算机模拟三个方面总结了近年来微尺度薄膜热物性的研究进展。     

微机电系统的尺度效应及其影响

评述了MEMS系统中,尺度效应对材料性能、器件的机械特性、流体系统以及摩擦和粘附等方面的影响,微尺度效应是在微机电系统的设计过程必须考虑的问题,也是MEMS产品从实验室走向市场化商品的关键理论基础。     

铁磁橡胶执行器与微型游泳机器人的尺度效应

对铁磁橡胶在外磁场作用下所产生的驱动力与特征尺寸的关系进行了分析,并研究了采用铁磁橡胶执行器驱动微型游泳机器人的原理与方法.尺度效应分析表明,将FMP微机器人从cm级尺寸减小到mm级尺寸是可行的.这一结果为进一步研制进入人体血管的微机器人奠定了理论基础.     

微机电系统的研究与展望

微机电系统(MEMS)是利用集成电路制造技术和微架构技术把微结构、微传感器、微执行器、控制处理电路甚至接口、通信和电源等制造在一块或多块芯片上的微型集成系统.MEMS技术是多种学科交叉融合具有战略意义的前沿技术.文中介绍了MEMS的范畴、分类、特点,综述了MEMS的发展历程和各国MEMS技术研发动态及产业现状,分析了M...     

基于微型悬臂梁的发电机制探索

微机电系统(MEMS)微型化过程中,要求电源装置也必须向微型化发展.在现有微电源研究基础上,结合微型硅悬臂梁的力学分析以及压电晶体材料压电效应特性,提出一种新的压电陶瓷(PZT)微型硅悬臂梁发电装置.借助微型硅悬臂梁质量块的振动和PZT的正压电效应,实现振动机械能向电能转换.该装置结构简单、体积小、质量小,可以用MEMS集成加工工艺实现结构加工,因此与其他微型MEMS器件可以集成在一个基础上.     

关于微型齿轮尺度界定的讨论

微型齿轮并非传统宏观齿轮的简单几何缩小,当齿轮微小化后将面临微尺度效应的难题.提出微尺度应该与微尺度效应相对应,对微型齿轮的尺度进行界定,并按尺度对微型齿轮进行分类的观点.以前人的试验和研究的结论为依据,探索将微尺度划分为微小尺度、微细尺度、微纳尺度、超微纳尺度.对渐开线标准直齿圆柱微型齿轮进行尺度界定,按尺度将微型齿轮分为微小齿轮、微细齿轮、微纳齿轮、超微纳齿轮,指出各类微型齿轮在研究设计时应主要考虑微尺度效应.     

MEMS微型柔性力-位移传动机构设计

为了提高微机电系统中微执行器的作用距离,设计了一种全硅结构的微型柔性力-位移传动机构,用于放大微执行器的输出位移。建立了传动机构的简化力学模型和有限元模型,并对机构性能的影响因素进行了分析。用深层反应离子刻蚀工艺在硅隔离衬底上成功制备了电热微执行器-微型柔性传动机构样机,并进行测试。结果表明,柔性力-位移传动机构能够有效地放大微执行器的输出位移,实测放大倍数达到18.9,可以极大地扩展微机电系统微执行器的应用范围。     

基于柔性可控气液界面的微尺度执行器

为了在微尺度范围内实现对目标对象进行柔性施力、推拉等一系列微纳操作,提出一种通过生成控制单个微尺度气泡直接与目标对象进行微纳操作的方法。当用气泡作为执行器对目标对象施力时,由于气体的可压缩性,气泡会被挤压变形,实现了柔性施力的过程。首先通过毛细管连接气泵的方式在液体环境下生成单个微尺度气泡,并定性分析气压法生成控制气泡变化的过程;随后,为了验证气泡可以作为执行器对研究对象进行施力,实验以一个微型悬臂梁作为参照物,气泡作为执行器对悬臂梁的末端施力,通过悬臂梁的形变来估算气泡的施力值。对实验数据进行分析,得出气泡作为执行器特性以及气泡的形变与其输出力之间的线性关系。     

基于MEMS微型爬壁机器人自主控制系统设计

介绍了一种基于MEMS永磁轮式微型爬壁机器人。研究多种因素限制条件下微型爬壁机器人自主控制系统硬件和软件的设计方法。控制硬件主要包括微控制器、电磁微马达驱动器、无线收发器、电源管理、微型摄像头等模块。设计基于嵌入式实时操作系μC/OS-II的模块化控制程序,对爬壁微机器人不同行为的控制方法进行了研究,包括运动控制、能源监测、图像采集、无线传输等。制作了相应的原理样机,通过实验证明了所设计控制系统的可行性。     

部分国家/地区支持推动MEMS发展的举措

微机电系统(MEMS)是基于微机械或微电子技术的微型机电器件或系统,主要包括微传感器、微执行器和微系统等。MEMS由于尺度小,集成度高,功能灵活强大,使人类的操作、加工能力延伸到μm级空间,同时作为新兴的高技术产业,已成为世界各国政府竞相争夺的技术制高点之一。介绍了世界上部分国家和地区在推动MEMS发展方面的各种政策措施,并对我国MEMS的发展具有启示作用。     

微小机器人的移动方式

微小机器人是微机电系统研究开发的重要分支,各种微小机器人的研究成果不断涌现.受自身尺寸和作业空间的限制,微小机器人难以采用常规机器人的驱动器、传动机构和执行机构.根据移动方式的不同,将微小机器人分为腿足式、轮式、蠕动式和游动式等类型.讨论了各种移动类型的例子,分析研究了它们新颖的驱动机构.认为驱动器的微型化是实现微小机器人的关键,高效合理的驱动方式可降低对微小驱动器的要求.     

Investigation of generative contactile force of frog muscle under electrical stimulation

Recently, the microrobots powered by biological muscle actuators were proposed. Among the biological muscle actuators, frog muscle is well known as a good muscle actuator and has a large displacement, actuation forces and piezoelectric properties. Therefore, for the application of the biomimetic microrobot, this paper reports the electromechanical properties of frog muscle. First of all, the experimental setup has been established for measuring generative force of the frog muscle. Through the various electrical stimulating inputs to the frog muscle, we measured the contractile force of the frog muscle. From the measuring results, we found that the actuating contractile force responses of the frog muscle are determined by the amplitude, frequency, duty ratio, and wave form of the stimulation signal. This study will be beneficial for the development of the microrobot actuated by frog muscle.     

微型机械的特点,研究现状和应用

简明地叙述了微型机构的特点,综述了微型机构在国内外的研究现状,强调了微型马达的研究在微型机械发展中的重要地位,列举了微型机械应用的典型实例,最后对我国在九五期间发展微型机械提出了一些建议。     

压电式微位移机构设计与实验研究

微机电系统、超精密加工等众多领域飞速发展且都需要高灵敏度的微位移致动设备,微位移技术有着广阔的应用背景.而压电驱动由于结构紧凑、位移分辨率高、频响高、承载力大、无噪声、不发热等优点成为微位移致动的较佳方案.文中设计了一种结构小巧的压电式高灵敏度微位移致动机构,对称式平行四杆柔性铰链作导向,在千级超净实验室内进行的驱动性能测试实验显示,机构位移灵敏度4 nm,位移响应速度100 ms,可应用于精密加工等需要纳米级驱动的领域.通过实验研究和分析,给出了影响压电驱动高灵敏度的关键因素.     

微型光机电系统

微型电子机械系统（ＭＥＭＳ）与光器件融合于一体的微型光机电系统（ＭＯＥＭＳ）成为ＭＥＭＳ研究的一个重要方向,它将会给光器件的发展带来新的飞跃,而光系统因无需力的输出,正是ＭＥＭＳ的一个理想的应用领域。本文主要介绍几种有突破性的、具有可动部件的微型光机电系统,最后提出一种新型的微光学开关。     

压电振动发电机的研究现状与发展趋势

综述了国内外压电振动发电机的技术发展,阐述了压电发电机工作原理,系统介绍了压电材料与压电换能元件结构形式,重点报道了能量转换接口电路及共振频率调整策略的研究现状。举例说明了压电振动发电机的应用领域,并针对目前研究中存在的问题对压电振动发电机发展趋势进行了预测。随着低功耗微电子技术与微机械加工技术的发展,压电振动发电机在各种MEMS产品、无线传感器网络及低功耗电子设备中的应用将逐渐实用化、普及化。     

Mechanical characterization of micro/nanoscale structures for MEMS/NEMS applications using nanoindentation techniques

Mechanical properties of micro/nanoscale structures are needed to design reliable micro/nanoelectromechanical systems (MEMS/NEMS). Micro/nanomechanical characterization of bulk materials of undoped single-crystal silicon and thin films of undoped polysilicon, SiO(2), SiC, Ni-P, and Au have been carried out. Hardness, elastic modulus and scratch resistance of these materials were measured by nanoindentation and microscratching using a nanoindenter. Fracture toughness was measured by indentation using a Vickers indenter. Bending tests were performed on the nanoscale silicon beams, microscale Ni-P and Au beams using a depth-sensing nanoindenter. It is found that the SiC film exhibits higher hardness, elastic modulus and scratch resistance as compared to other materials. In the bending tests, the nanoscale Si beams failed in a brittle manner with a flat fracture surface. The notched Ni-P beam showed linear deformation behavior followed by abrupt failure. The Au beam showed elastic-plastic deformation behavior. FEM simulation can well predict the stress distribution in the beams studied. The nanoindentation, scratch and bending tests used in this study can be satisfactorily used to evaluate the mechanical properties of micro/nanoscale structures for use in MEMS/NEMS.     

微型机械的摩擦学特性及其表面润滑技术的研究

综述了微型机械的摩擦学特性,阐述了微型机械中摩擦学问题研究的重要性,分析了影响微摩擦力的关键因素。基于目前国内外对微型机械表面润滑问题的研究现状,探讨了LB膜、自组装膜和分子沉积膜各自的特点及其在微型机械表面润滑领域的应用进展,对它们性能的优缺点进行了比较,并提出降低微型机械的表面能是减轻微摩擦磨损的有效措施。     

微电子机械系统中典型构件的力电耦合分析及其应用研究

力电耦合是大多数微电子机械系统（尤其是以静电驱动的微机械）的重要特征。文中采用有限元（FEM）结合边界元（BEM）的方法来混合求解MEMS中的力电耦合问题,利用自行研制的程序给出了几种典型构件（平行板、悬臂梁和固支梁）的分析结果,并同其他商业软件（ANSYS和Intelisuite）的计算结果进行了比较。同时,还将这种分析方法应用到微继电器的设计和MEMS构件残余应力的检测中。     

微机电系统静动态测试技术研究

在中国国家863高技术发展计划MEMS重大专项课题《MEMS动态特性频闪干涉视觉三维测量技术及系统》资助下，研发微机电系统(Micro Electro Mechanical System , MEMS)动态特性三维测量技术与系统。对已有的微几何量、微材料力学性能和MEMS动态参数测试方法进行研讨。 几何尺寸和表面形貌轮廓的测量是MEMS测量的基础。二维微几何量检测采用普通光学显微镜和扫描电子显微镜。表面形貌测量大致可分为接触式测量和非接触式测量，机械触针式轮廓仪是典型的接触式测量仪器，非接触式测量大多采用光学技术，主要有光针式轮廓仪，采用光切、干涉、投影光栅和微视觉等测量方法。