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1、1,第六讲 纳米机械技术,引言 微型机械 纳米机械加工方法 微型机器人及应用,2,1 引言,纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点，去制造具有特殊功能的产品。因此，纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。,3,纳米机械技术主要研究微型机械、纳米加工、超精度测量和材料处理学等技术应用。 微型机械是80年代末出现的一项新技术。它虽问世不久，但现已在工业、医疗等方面获得了很多应用。微机械作为现代高技术发展的综合产物和必然结果，必将对固有产业和技术产生深远影响，但是，由于微机械是才有二十几年历史的边缘学科，在目前还有着诸多的科学难题有待于解决。,4,人类进入20世纪，空间技术、生物工程、信息
2、科学、临床医学都得到了巨大的发展，上述高技术在21世纪能否保持目前的发展速度，在某种程度上取决于微机械的进步。 就空间技术而言，科学家们经过多年的实践、分析、论证后，得出一个出人意料的结论：与其花数亿美元构造一个庞大而又复杂的智能系统，不如把整个系统化整为零，以一群可大量生产的、廉价的、简单的、低智能的小单元来取而代之。,5,该结论的基本出发点是：尽管就单个小单元来说其功能无法与大系统相比，但可通过简单单元之间的分散协调作业，完成大系统难以实现或不能实现的目的，并具有极高的可靠性，因为数量众多的智能单元在执行某一项任务的过程中，可能有一小部分单元失效，但由于同功能的单元的数量众多，所以个别单元
3、的失效并不影响目标的最终实现。大系统的情况则不然，任何设计和制作过程的失误，都可能导致整个计划的失败。,6,例如，挑战者号航天飞机失事就是由于小小的失误造成的，而这些失误事实上是难以避免的。无数历史的失败与教训已迫使设计师们不得不重新考虑他们的总体设计，并从根本上认识到科学发展的不平衡性。,7,纵观医学科学的发展也会发现，现代医学正在受传统医学宏观诊查、定性施治的束缚。21世纪，心脑血管疾病和癌症将成为威胁人类健康的主要疾病，而最终战胜这些疾病将有赖于微机械技术在精密的定量、定点诊治技术中的发展和应用。 在生物工程、信息科学和工程技术等诸多领域，需要人们有分析和处理微观事物的能力。所有这一切都
4、为微机械的产生和发展提供了机会。,8,微机械的含义十分广泛，至今还没有一个权威性的定义。一个约定俗成的概念是微小电气机械系统（Micro Electron Mechanical systems，缩写MEMS）。在人们致力于微观物质的研究时，需要越来越小的器件，因而MEMS就应运而生了。上世纪崛起的集成电路技术，使电子产品的集成度大大提高，现在工程师又探索用这一技术使机械结构尽量小，以便它们能与微电子器件匹配。在微机械的研究内容和发展趋势上已有人作过论述。,9,MEMS技术,从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统 ME
5、MS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等,10,MEMS 微小型、智能、集成、高可靠,MEMS是人类科技发展过程一次重大的技术整合 微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术 微小型化、智能化、集成化、高可靠性 MEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成 在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变 MEMS极大地改善了人类生活的质量 大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护 MEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长 不是钢铁、汽车、微电子，而是微系统,11,总的来说微机械应是一个独立
6、的智能系统，它由传感器、致动器（也称执行器）和微能源三大要素技术组成。这些要素技术的实现必须有相应的基础理论和工艺技术的支持才能完成，并且针对微机械的具体应用对象，还要有相应的专业技术提供保障。从这种意义上说，微机械是一个多学科、高技术的边缘学科。它的生存和发展以广大的科学技术为基础，反过来也促进着多学科的相互渗透和全面发展。,12,微机械技术具有许多优点： 体积小，但功能强。如轮齿只有一个红血球细胞那样大，如此小的部件运转起来非常快，其体积小使得引力和惯性几乎不起作用。 制造成本低。可以在一块很小的硅片上制造数十万个微型机械。,13,MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几
7、乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景 微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统(ABS)、稳定控制和玩具 微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护 MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等 已经制造出尖端直径为5m的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等,MEMS技术的应用,14,MEMS技术的应用,空间应用 用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面辐照实验，正在进行飞行搭载实验 微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究 通信方面 光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方
8、向发展 无线通信则要求增强功能（如联网等）和减小功耗。包括美国朗讯公司在内的一些公司和大学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信用射频微系统,15,MEMS技术的应用,在生物医学方面，将光、机、电、液、生化等部件集成在一起，构成一个微型芯片实验室，用于临床医学检测，为医生甚至家庭提供简单、廉价、准确和快捷的检测手段 光显示、高密度存储、汽车、国防等微系统,16,典型微纳系统及微纳器件,德国Karlsruhe 的核能研究中心在80 年代末开发的1 cm3 小型换热器的换热功率最大可达20kW； 90 年代初，美国太平洋西北国家实验室（PNNL），建立了Micro-CATS(Micro- Chem
9、ical and Thermal System)开发平台，开发了微型换热器、微型蒸发器、微型热泵、微型反应器、微型吸收器等尖端设备； 麻省理工学院开展了微燃烧器技术的研究； 近年来华东理工大学在微型换热器和制氢反应器的设计制造方面也取得了进展。,17,磁阻元件,铁磁性薄膜磁阻元件/半导体磁阻元件,原理,电阻率与磁场关系推导,结构,磁阻金属或合金制成矩形薄膜，在无外磁场时磁矩沿着长度x方向（易轴方向），外加磁场沿薄膜的宽度y方向等,材料在磁场中表现出的电阻率各向异性,存在问题：非线形关系,18,施加偏场的方法 解决线性化问题,磁阻元件,重要用途 磁盘驱动器中的读出磁头,器件发展 MR-GMR-M
10、I 灵敏度指标 %/Oe,19,磁通门,原理,固有状态 在外加磁场信号的影响,通过分析脉冲的相位变化，可测量外加磁场的大小 最常用的形式：读出偶次谐波，傅里叶分析出结果,特点,直流或很低频率 高灵敏度10-10T,20,磁通门,MEMS磁通门结构,材料选用 线圈/磁芯/绝缘层/基底 注意工艺结构特点 分析工艺兼容性,21,2 微型机械,（1）微型机械零件 （2）微型电机 （3）纳米尺度定位马达 （4）微型机器,22,（1）微型机械零件,微型机械就是很小的机械装置，其零件的尺寸多在1毫米以下。对微型机械进行观察需要借助于显微镜。在微型机械世界里，一粒尘埃就是一个庞然大物，一旦流入轮间就能卡住齿轮
11、，使其停止转动。 美国的贝尔实验室用半导体材料硅制出了直径为125微米的齿轮，齿轮的宽度是15微米，为头发丝直径的16。美国威斯康星大学制出了直径为100微米的金属齿轮。此外还有人制出了微型连杆、微型弹簧、微型曲柄等零件。,23,这些微机械部件有多小呢？我们可以将它与灰尘尺寸做个对比 右图正前方毛毛嘈嘈的东西是一粒灰尘，其后方是一个微机械部件。只有几个微米。,24,不久前美国桑迪亚国家实验室研制出微型发动机，齿轮只有花粉颗粒大小，需借助于显微镜观看它的旋转，其速度为每分钟30万转。,25,日本开发出微型机械零件“自组织化”装配技术。 东京大学山下勋教授日前开发出一种微型机械零件“自组织化”自动
12、装配技术。原子在硅酸化物基片上可以自然成形，这种现象被称为“自组织化”。山下教授受此启发，先在微型零件表面涂上化学物质，让他们具有亲水性或疏水性，然后放入溶液中。结果疏水性零件互相吸引，而与亲水性零件互相排斥。只要在零件表面涂料上下功夫，零件就会根据需要很好地结合在一起。,26,美国山迪亚国家实验室的科学家创造了世界最先进的微型机器，科学家称这类微型机器为微型电机系统，是一种只有微米大小的复杂机器，微型机器的用途很广，包括安装在光学仪器、电脑游戏玩具、汽车气袋、喷墨印表机等。,27,（2）微型电机,科学家们不仅研制出了微型零件，而且还制作了微型涡轮机和电动机。德国的一个核研究中心制出的涡轮机的
13、直径为0.10.3毫米，中轴只有40微米。1988年华裔美国留学生冯龙生等人制作出了第一台具有微米量级转子尺寸的微型静电马达，引起国际上的轰动。马达宽度不到1毫米，他们在显微镜下看到了这台马达转动。此后，许多国家的实验室重复了他们的实验，并在电机结构、性能和尺寸上作了许多改进，转子直径从最初的数百微米降到50微米，转速提高到10万转分钟。在结构上派生出了摇摆式、悬浮式等多种结构形式。,28,微型马达,29,两种微电机的结构,30,（3）纳米尺度定位马达,除了本身尺寸很小的马达已问世之外，在纳米级尺度上移动和定位的“纳米”马达已研制成功，并已投入使用。已有两种构造可实现这个要求：一是基于线性马达
14、的Yoshida系统，有1nm的定位精度和200nm/s的速度；另外一种是基于压电陶瓷管的蠕动爬行装置，以步进方式很容易达到1nm的定位。例如，在扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）上用于精确定位的由压电陶瓷材料制成的纳米级逼近装置。它们能以简单的方式将1mV1000V的电压信号转换成几分之一埃到几微米的位移。,31,最近美国Burleigh仪器公司推出一种压电陶瓷步进马达，其工作原理示如下图所示,压电陶瓷步进电机工作原理,32,研究人员在活细胞内的能源机制启发下，制造出了一种分子马达。这种微型马达以三磷酸腺苷酶为基础，依靠为细胞内化学反应提供能量的高能分子三磷酸腺苷（ATP）为能
15、源。,分子马达,分子马达，又名分子发动机，是分布于细胞内部或细胞表面的一类蛋白质，它们的构象会随着与ATP和ADP的交替结合而改变，ATP水解的能量转化为机械能，引起马达形变，或者是它和与其结合的分子产生移动。就是说，分子马达本质上是一类ATP酶。例如肌肉中的肌球蛋白会拉动粗肌丝向中板移动，引起肌肉收缩。而另外两种分子马达：驱动蛋白和动力蛋白，它们能够承载着分子“货物”-如：质膜微粒，甚至是线粒体和溶酶体，在由微管构成的轨道上滑行，起到运输的作用。,33,分子马达,分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物体内参
16、与了胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列重要生命活动。以微管蛋白为轨道，沿微管的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能。,34,美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备-“纳米直升机”。该设备共包括三个组件，两个金属推进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物分子组件。其中的生物分子组件将人体的生物“燃料”ATP转化为机械能量，使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈。这种技术仍处于研制初期，它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。,35,（4）微型机器,微型汽车和大米粒,36,微型机器,
17、小型机器人，它用吸盘式的脚垂直在墙壁上移动,37,纳米火车,美国华盛顿大学正在制造纳米火车。用神经细胞中的微管片段为车厢，微管直径只有人头发丝的1%；以牛脑中的驱动蛋白为牵引机车，装配后可在特氟隆轨道上奔驰。 该项研究填补了纳米技术中没有动力的空白，向实现纳米技术自组装工厂这一目标迈出了有意义的一步。,38,3 纳米机械加工方法,德国弗里茨哈贝尔研究所的科学家研究出使用超短电脉冲进行电解的新技术，并成功地在纳米尺度上切割金属材料，加工微型机械。据介绍，科学家使用持续时间以纳秒计的超短电脉冲，实现“微型电镀”过程，对金属进行“雕刻”，加工精度可达几百纳米。 他们使用直径10纳米的铂线作为一个电极
18、，金制的金属片为另一个电极，将它们浸泡在硫酸铜和高氯酸混和溶液里。来回移动铂线，就可以将铂线用作“刀具”，像铣床一样对金属片的铜进行“雕刻”加工。由于电流脉冲只持续极短的时间，铜的沉积与溶解都只发生在非常靠近电极表面的地方，加工精度较高。,39,用活细菌建造纳米机械,美国威斯康星麦迪逊大学的科学家罗伯特哈默斯说：“自然界已产生了这些奇异的建筑构块，而我们开发出的方法，仅仅是很巧妙地抓住细菌的这种能力。”哈默斯研究小组已经能够采用电极来调控单个细菌细胞。他们的研究成果发表在纳米通信刊物上。,40,41,该研究小组选择的细菌是5微米长、0.8微米宽的蕈（xn）状杆菌。之所以选择这种细菌，是因为其个
19、头足够大，能够让科学家在光学显微镜下看到它。他们把电场加到这种微生物上，使它们被极化，并“粘贴”到电极上。随着电极的电流发生极化，将会显示出这些小细菌被“粘”到电极上。研究人员甚至能让细菌构成正负电极之间的导电桥梁，这一现象可能导致形成可再组合的纳米电路。哈默斯说：“采用细菌细胞作为更复杂电子电路的部件，是一种非常重要的创意”。,42,在哈默斯的实验中，细菌本身被依附到一根长电极上，借助于所悬浮的溶液的运动，细菌沿其长度可以转向。当细菌同另外一个电极结合时，两电极的极性可牢牢地将细菌固定在一定的位置上。 目前，纳米结构物必须人为地进行组装，但是当使用特定生物分子连接的元器件，向细菌“粘”上互补
20、的表面蛋白质时，有可能采用细菌使装配过程自动化。像哈默斯小组这类电极的另外一种应用，将用来制造生物传感器，以探测诸如炭疽菌等生物制剂，因为，由于“粘”上炭疽孢芽，电极电流会发生变化。,43,纳米机械加工系统,日本开发出了可在扫描电子显微镜（SEM）中工作的纳米机械加工系统，成功地以视频方式拍摄到了以单晶硅为切削材料进行纳米级切削的过程。 这套加工系统使用了原子力显微镜（AFM）装置，加工工具则使用自主开发的加工悬臂。通过改变加在悬臂顶端刀刃上的接触荷重，在1100nm的范围内控制切进深度，以纳米为单位进行切削。利用SEM把刀刃顶端放大以后进行观察，能够以视频方式记录纳米级切削的过程。,44,实
21、验使用的单晶硅通常称为硬脆材料，质地坚硬。从其性质上来说，在机械微加工中像玻璃一样易碎。而在纳米切削中，即使像玻璃一样的硬脆材料也表现得和普通金属材料一样，可顺利进行延性模式切削。本次实验结果证实，既然单晶硅比普通金属材料还硬，因而纳米机械加工可广泛应用于金属和玻璃等多种材料。,45,纳米秤,美国研究人员通过打造世界首个全功能性的纳米管装置，成功建造了一个可以给金原子称重的纳机电系统(NEMS)。以此装置测得的金原子质量为3.25x10-25千克。,此新式纳机电系统质量传感器由单个碳纳米管组成，有双层壁，具有全部电子特性，且硬度增加了。碳纳米管的一端可自由活动，而另一端入则连接在一个电极上，且
22、距离相对的电极相当近。来自电池或太阳能电池上的直流电源与这对电极相连，导致它以某种波动的共振频率振动。当一个原子或分子被存放在此碳纳米管上面时，此碳纳米管的共振频率就会因此原子或分子的质量而改变，类似于不同体重的跳水运动员会改变跳水板的共振频率一样。此研究小组成员肯尼思延森说：让碳纳米管振动很简单，难的就是探知其振动的微小变化。我们通过磁场发射或喷雾让它产生了振动，并探测到此碳纳米管一端的电流变化。,利用此纳机电系统质量传感器，泽特尔小组对单个金原子称了重量，其质量为3.25x10-25千克。这意味着大约3亿亿亿个金原子才能达到1千克。,46,摆动中的纳米线将很有可能接触到与之相邻的铂电极表面
23、，由于纳米线所具有的压电效应和它与铂电极间形成的肖特基势垒，每次接触均是通过纳米线带负电势的内表面把形变产生的压电电能释放出来。肖特基势垒的整流作用使得输出的电流为直流，纳米发电机表现出了对超声波良好的响应。在41千赫的超声波的作用下，只有2平方毫米面积的基片能输出约1纳安(nA)的连续电流，并且其电流输出可以保持一个多小时而没有任何衰减。这一原创性设计在世界上率先实现了一种适应性广、生产成本低，并能从周围环境中收集并转换能量的纳米发电机。,直流纳米发电机-纳米压电现象,47,(a)低倍扫描电子显维照片显示两个互相缠绕的、表明长有氧化锌纳米线阵列的纤维，其中一个镀有金。(b)高倍扫描电子显维照
24、片显示两纤维界面处的纳米线对纳米线结构。(c)显示多根纤维组成的纤维纳米发电机的串/并连式连接来提高输出电压/电流。(图片来源：王中林实验室),复合型纳米发电机,基于压电电子学原理，超声波可带动纳米线阵列运动，能独立从外界吸取机械能、并将之转化为电能的纳米发电机模型。在超声波带动下，这种纳米发电机已能产生上百纳安的电流。但是，在实际环境中，机械能主要以低频震动形式存在，如空气的流动、引擎的震动等。要让纳米发电机能广泛应用于各方面，一个关键的问题就是要降低纳米发电机的响应频率，让纳米线阵列在几个赫兹的低频震动下也能将机械能转化为电能。,通过让氧化锌纳米线在纤维之上生长，可实现柔软，可折叠的电源系
25、统（如“发电衣”）。另外，基于纤维的纳米发电机能在低频震动下发电，这就使得步行、心跳等低频机械能的转化成为可能；再次，由于其合成方法简单，条件温和，这就大大扩展了基于氧化锌纳米线的纳米发电机的应用范围。根据目前的实验数据，他估计，如果能用这些纤维编织成布在极端优化的条件下，每平方米这样的布可能输出大约2080毫瓦的电能。,48,4 微型机器人及应用,别看微型机器人小，有的甚至要用放大镜才能看到，可它们的本事却很大呢！ 在工业上，微型机器人可以按设制的程序，成群结队地钻进飞机的发动机中，进行精细的维修工作，或钻进核反应堆内清洗管道、修补裂缝，甚至长期驻守在里面进行定期检查维修。在船舶底部，微型机
26、器人可咀嚼和清除依附在上面的苔藓和贝类。 在农业上，可利用微型机器人捕捉害虫，使农作物获得丰收。微型机器人还可以在田野上空监控农作物生长，当农作物需要灌溉时，它们便降落在阀门上，开启阀门，进行灌溉。,49,在通讯方面，微型机器人可以爬入电缆中去检查电路，一旦发现断头，使用自己的前后“腿”搭接在断开的电缆上，使线路畅通。 在家庭服务方面，微型机器人可以打更放哨，发现“不速之客”或防止火灾发生，还可以在家庭的隐蔽角落清除尘埃，消灭蛀虫。 在军事上，微型机器人可代替卫兵和警犬进行巡逻；可以飞到敌军内部，用各种传感器收集情报等。 在航空航天方面，微型机器人可到外星球去采集标本，为行星车开路；可以检查航
27、天飞机、空天飞机的各种机件是否运转工常，并为机罩除尘；还可以定期检查修理空间望远镜等。 微型机器人将在未来各种行业中大显身手，并使用途广泛的机械学发生一场划时代的革命。,50,这款会飞的机器人来自美国哈佛大学，其身长不到一英寸。它的飞行原理是利用碳素纤维制成的翅膀的高频振动来达到飞行的目的。,51,它的飞行原理与苍蝇类似，利用碳素纤维制成的翅膀的高频振动来达到飞行的目的。虽然目前这款机器人还不能够通过遥控器控制，只能借助两条辅助的轨道来控制飞行方向。,这是一款来自美国哈佛大学的微型机器人，身长不到一英寸。与其他微型机器人的最大不同在于：它是会飞的！,52,微型机器人能在人的脊椎里穿行,53,美国喷气推进实验室(JPL)展示的采用MEMS技术的电阻电热式微推进器样机(固体升华方式)。微推进器由推进剂出贮箱、微阀、微过滤器、微型喷口等组成，微型喷口利用MEMS技术中的体硅工艺制作。其性能目标为：比冲5075s，推力0.5mN，功率 2W/mN，质量为几克，大小为1cm2。,微推进器,54,55,56,课程总结报告的提纲,阐述所学过体会深刻的内容（10%）； 学习本课程的体会（10%）； 举出你所知道的关于纳米科学技术应用的例子（10%）； 与自己所学（或某一）专业相结合谈谈纳米科技对该行业的推动作用（10%）,