微型机械电子系统的研究动态

　　1　概述

　　微型机械电子系统泛指从μm/nm到mm量级大小的电子机械装置,随着微小型化的微电子器件进入机械领域,使得微电子与机械进一步集成,从而设计制造出结构复杂和功能独特的微型机电系统(MEMS)。

　　微型机电系统的研究是机械科学的前沿领域,微型机电系统立足于最新的理论和科学技术,是21世纪先进制造技术中极有发展前途的领域之一。从目前的情况来看,对微型机械进行研究工作,主要是从微型机械电子系统的理论研究、微型机械电子系统的工程研究和微型机械电子系统的应用研究3个方面进行的,本文将从这3个方面详细阐述微型机械电子系统的研究方向和发展趋势[1~3]。

　　2　微型机械电子系统的理论研究

　　MEMS的理论基础研究包括:力的尺寸效应、微结构表面效应、微机构动力学、微结构材料力学、微摩擦学、热传导、微流体力学、MEMS的基本设计与传动理论等项内容。

　　2·1　力的尺寸效应和微结构表面效应

　　在微型机械领域,由于与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力和电磁力L3等的作用相对减小,而与尺寸的低次方成比例的粘性力和弹性力L2的作用、特别是表面张力L1和静电力L0的作用相对增大,因此表面张力和静电力将起主导作用,这也就是微型机械常以静电力和表面张力作为驱动力的原因所在。随着尺寸的减小,物体表面积S2与体积V3之比相对增大,因而热传导、化学反应的速度加快,表面间的摩擦力显著加大,因此,在微型机械设计中必须充分考虑到表面效应和尺寸效应的影响。在微尺度下的物理量测量以及微尺度力学分析方面还有大　　量的研究工作要做[4]。

　　2·2　微流体力学

　　在微流体力学中,微管道中液体的运动特性如何?我们将如何推导出新的理论去分析它的运动特性,这都是我们将要研究的内容。

　　2·3　微机构动力学

　　微机构是微机电系统的主要组成单元,微小空间内有着能量传递、运动转换和调节控制等功能,以实现规定的动作和精确度。

　　2·3·1　微机构设计需解决的问题

　　(1)微机构研制,要求微型机械实现有源驱动。目前人们正在研究高功率高储能密度的电池和微电机、微驱动器。到目前为止人们已经设计了静电机、超声波电机、压电驱动式电机、谐振电机、生物电机,　因此,在微型机械系统中,采用何种有效高功率的原动力成为微型机械研究的关键问题。

         (2)由于受到空间尺寸和驱动能量的限制,要求微机械系统应尽可能缩短运动链和减少构件数量,将能量传递、运动转换和执行调节等机械统一成一体,这就使得微机构必须是多种功能的组合机构。