微机械及其特征分析

1.微机械概念及应用

微机械（Micromachine，日本惯用词）的概念是由美国物理学家、诺贝尔物理学奖获得者Richard P.Feynman于1959年首先提出的，是指可以批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，甚至外围接口、通信电路和电源等于一体的微型器件或系统，也称微型机电系统（MEMS，Micro Electro-Mechanical Systems，美国惯用词）或微型系统（Micro-Systems，欧洲惯用词）。

随着科技的发展，人们对许多工业产品的功能集成化和外形小型化的需求，使零部件的尺寸日趋微小化。例如，在医学领域，利用微机械技术可以制造进入人体的医疗机械和管道自动检测装置中所需的微型齿轮、微型电机、传感器和控制电路等装置，广泛应用于视网膜手术、血管修补手术等方面。

在工业领域，微机械技术也可大显身手。例如，用于加工光通信机械激光二极管LD模块中微小非球面透镜制造用的模具仅0.1～1 mm；维修用的微型机械产品可以在狭窄空间和恶劣环境下进行诊断和修复工作，如进行管路检修和飞机内部检修等场合。大量的微型机械系统能发挥集群优势，可用来清除大机器锈蚀，检查和维修高压容器，船舶的焊缝等。在公共福利服务领域，也可以利用大量微型机械系统，在地震、火灾、水灾等灾害现场从事救援和护理等工作。

1976年，德雷克斯勒看到了遗传工程的书，萌发了制造微型机器人去控制DNA的念头。仿甲虫微型机器人如图2-62所示。日本丰田公司造了一辆只有62mg，米粒大小的微型汽车。德国物理学家埃费尔德研制了一架直升机，质量不到0.5 g，能升到130mm的空中。美国波士顿大学的化学家T.Ross Kelly制备出世界上最小的分子马达，该分子马达由78个原子构成。日本通产省自1991年开始实施为期10年，总投资250亿日元的“微型机械技术”大型研究开发计划，有筑波大学、东京工业大学、东北大学、早稻田大学和富士通研究所等几十家单位参加，研制了两台微型机电系统样机，一台用于医疗，进入人体进行诊断和微型手术；另一台用于工业，对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修。

由此可见，微机械技术已涉及电子、电气、机械、材料、制造、信息与自动控制，以及物理、化学、光学、医学、生物技术等多种工程技术和科学，并集约了当今科学技术的许多尖端成果。

2.微机械的基本特征

微机械侧重于在不大于1 cm3的体积内制造复杂的机器。微机械按其尺寸特征可以分为：微小机械（1～10 mm）；微机械（1μm～1 mm）；纳米机械（1 nm～1μm）。而制造微机械所采用的微细加工可分为微米级微细加工、亚微米级微细加工和纳米级微细加工等。

微机械主要有以下几个特点。(https://www.xing528.com)

1）体积小，精度高，质量轻。其体积可达亚微米以下，尺寸精度达纳米级，质量可至纳克，通过微细加工，已经制出了直径细如发丝的齿轮、3 mm大小能开动的汽车和花生米大小的飞机。有资料表明，科学家们可以在5 mm2范围内放置1 000台微型发动机。

2）性能稳定，可靠性高。由于微机械的体积小，几乎不受热膨胀、噪声、挠曲等因素影响，具有较高的抗干扰性，可在较差的环境下进行稳定的工作。

3）能耗低，灵敏度和工作效率高。微机械所消耗的能量远小于传统机械的十分之一，但却能以十倍以上的速度来完成同样的工作，如5 mm×5 mm×0.7 mm的微型泵，其流速是体积大得多的小型泵的1 000倍，而且机电一体化的微机械不存在信号延迟问题，可进行高速工作。

4）多功能和智能化。微机械集传感器、执行器、信号处理和电子控制电路为一体，易于实现多功能化和智能化。

5）适用于大批量生产，制造成本低。微机械采用和半导体制造工艺类似的方法生产，可以像超大规模集成电路芯片一样一次制成大量的完全相同的部件，故制造成本大大降低。如美国的研究人员正在用该技术制造双向光纤维通信所必需的微型光学调制器，通过巧妙的光刻技术制造芯片，将制造成本从过去的5 000美元降低至如今的几美分。

6）集约高技术成果，附加价值高。

图2-62　仿甲虫微型机器人