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乐投体育官网有哪些深入了解后能让人叹为观止

  比如机械硬盘(HDD),运行时磁头相对于以每分钟五千四到一万转高速运转的盘片,飞行高度只有零点几微米,能承受一定程度的震动,还要考虑受热膨胀导致厚度的改变,要快速精确定位到需要读写的磁道。能在高速运转下做到微米级运作精度的机械设备,已经远远远超我们日常业余手工制作的水平,作为普通人这对我来说挺不可思议的,而且最便宜的二手货只要几十元就能买到手。 相关问题: 人类史上令人叹为观止的极限精度制造成果有哪…

  差速器的作用:能使同一驱动桥的左右车轮以不同角速度旋转,并专递转矩(动力)的机构。

  万向传动装置的作用/出现原因:变速箱输出轴线与驱动桥的输入轴线难以布置得重合,且汽车行驶过程中路面不平等因素导致输出和输入的轴线经常变化,在输入和输出轴不能重合的情况下需要万向节实现转轴之间变角度传递动力。(万向节作用就是实现转轴之间变角度传递动力)

  (主动轴1与筒型壳4在钢球5的作用下可以在一定范围内转动;星形套2与筒型壳4通过钢球5沿外滚道滚动来实现轴向相对移动)

  金属带式无级变速器的组成(主要):主动工作轮(可动部分和固定部分)+从动工作轮(可动部分和固定部分)+金属带

  变速原理:工作轮的固定部分(4a/7a)和可动部分(4/7)之间形成V形槽。金属带10在槽内与工作轮相啮合。当工作轮的可动部分轴向移动时候,改变金属带与主、从动工作轮的工作半径,从而改变金属带传动的传动比。(如下视频)主动轮是通过液压装置给动力来轴向移动的,乐投体育官网主动轮和从动轮之间是个v型槽,轴向移动变宽变窄就使金属带远离和靠近中心。

  发动机配气机构作用:按照发动机的工作顺序和工况要求,定时开启和关闭各缸的进、排气门,使新气进入气缸,废气从气缸排出。

  答主题外话:配齐机构可以实现两个关键的作用是可变气门正时和可变气门升程。现代可变气门正时技术一般通过双VVT来实现,可变气门升程技术就有本田IVTEC/奥迪AVS等。

  正时链条8联动进气凸轮轴2和排气凸轮轴4,控制气门的开启关闭时间,从而达成进气和排气的目的。

  答主外话:本田的vtec是可变气门升程的一门技术,通过相对简单的大小凸轮和液压机构完成了可变气门升程的技术。当时可以说是黑科技了,也是答主最喜欢的汽车技术之一。

  不同转速下,通过液压装置对三个摇臂的串联和断开,实现大小凸轮轴对摇臂的影响,从而实现更好的燃油经济性和动力性。(图片转自汽车之家)

  它是DLP数字投影系统中成像组件的核心组成部分,目前市面上绝大部分数字投影仪或数字放映机里面都有一颗或三颗DMD芯片。

  也许你会说我跑题了明明题目所说是“机械产品”我却扔上一块芯片来,请接着往下看。

  这东西是成像用的,这里所说的“成像”是输出图像,而不是像显卡芯片那样处理图像。

  像素点。也就是说一块2K(分辨率2048×1080)的DLP芯片上面有2211840个小镜子。这二百多万个小镜子每一片都只有14×14微米,比头发丝还要细,并且每一片小镜子都能

  如图,当镜片成+12度倾斜时光源被反射出镜头从而照亮银幕,当成-12度倾斜时光源被反射到吸光板上并没有光线从镜头中射出银幕成黑色。当二百多万块小镜子协同工作时,便可以产生画面。

  至于如何产生灰度,这些小镜子旋转速度是每秒钟数千次,通过变换开关时间,开启时间越长灰度越浅,开启时间越短灰度越深。

  这样,通过一个色轮来进行RGB分色或者通过三个分别表示RGB的DMD芯片来配合就能输出彩色投影图像了。

  其实看到这个问题的时候,我想到的是汽车变速箱,比如下图(来源于网络):

  显然,汽车变速箱充满了让人叹为观止的各种因素,复杂、精密,严丝合缝,充满了机械之美。但是,我一瞬间又忽然想到了无级变速箱:

  虽然依旧精密而闪亮(大概是因为模型的原因),但是相比变速箱却简单了很多,甚至于有些无级变速箱可以称得上是单调。

  对比着两种不同的机械,无意之中我忽然想起来我一位在汽车行业工作的亲戚跟我说起过的话:汽车里最难设计的是你最常见的汽车,那些高级跑车用着不计成本的方法冶炼生产装配维护,设计这样的车对设计师而言反而是容易的。但是对那些注定要生产无数辆的汽车,你要绞尽脑汁去简化结构、增加可靠性、可维护性,直到你可以用最低的成本造出最可靠的汽车。

  再次回顾题目:“深入了解后能让人叹为观止的机械产品”,显然汽车的变速箱是属于一眼就让人叹为观止的机械产品,无级变速箱看似结构更加单调,远不如变速箱那样让人一眼就觉得惊为天人,但是当人们去仔细了解无级变速箱的发展历史以及曾经攻破的技术难关,人们一定会认识到,这样的机械产品其实凝聚了工程技术人员太多的心血,而从有级到无级,化繁为简,虽然没有能够夺人眼球,但是意义却十分重大,正所谓大巧不工是也。

  所以我决定,不去讲汽车变速箱(其实我也不太懂,嗯……),而是从我自己的专业角度出发,去说一样你们虽然习以为常,但实际上却拥有让你叹为观止的背后故事的机械产品:

  你以为这个时候我要说:“你们还是另请高明吧,我一个搞航空发动机的,怎么来说螺栓了?”

  但是实际上我却反要问你:航空发动机里的螺栓跟上图的螺栓有什么本质区别吗?

  知道你不一定答得上来,我明确告诉你,除了精密螺栓之外,航空发动机中的螺栓与上图的螺栓没有什么本质区别。从功用上说,螺栓就是把两个带孔的零件压紧在一起的一种装配用零件。

  我首先要强调的是:螺栓的结构简单,带螺栓的连接结构也同样简单,无非就是螺栓孔,螺栓,螺母这些东西。

  这么说吧,即便是最高级的航空发动机上,理论上给你一把测力扳手——甚至于你可以随便去五金商店买一把,告诉你怎么拧,你也可以完成螺栓的装配,并且日后航发上天的时候,一点问题都不会有,整个装配的过程不需要多么复杂的仪器和丰富的经验。

  又轮到我反问了:“坐过公交车没有?是否有过公交车一经过减速带,车里的各种广告牌噼里啪啦响成一团的情况?”

  再请问:“你的自行车(普通自行车)是否隔三差五就要去紧紧螺丝,不然只怕是自行车越骑越散?”

  其实上述情况是螺栓最常遇到的情况:松动。因为螺栓螺母毕竟不是焊接在一块儿,两个板子用螺栓拧在一块,你总是掰来掰去、晃来晃去,时间长了,螺母逐渐松开来了。

  而且要知道,公交车的震动最大能有多大?工作环境再恶劣能有多恶劣?航空发动机呢?

  汽车广告牌松了,不过是随便震震,航空发动机掉下来一颗螺栓,估计就要死人了。

  当然,学过一点儿机械设计的人应该知道,不就是螺栓脱落吗?螺栓防脱落的方式有的是,简单的弹簧垫片、双层螺母、自锁垫圈,复杂一点儿的止动垫圈、粘结,实在不行就焊成一块儿,这总不会掉了吧。

  确实,以上的说法没有错,而知道这样的措施的人也在无意中明白了机械设计的第一层境界:功能设计 ,也就是用各种方法保证机械结构可以实现一个功能,并且在结构运行的过程中保证其完整性,不会掉个零件什么的。(上述说法不太严密,就当我随便说说的啦)

  好了,这下似乎是行了,加上自锁垫圈,弹簧垫片(发动机里还经常用止动垫圈),围观的小王同学表示他干脆就把螺栓跟螺母之间焊死了,这下螺栓应该没有问题了吧。

  虽然你表示这什么破问题,断鞋带和螺栓有什么关系?但是你仔细一想,好像你确实断过鞋带——就算自己没断过,可能看到别人断过。

  我们导师没事儿提到过,人类最伟大的发明之一可能是鞋带。因为这是一种有效的连接结构。我一想,这说得有道理,鞋带确实是实现了很多你原先用单一的一个物体做不到的事情,比如说买20辆夏利用鞋带绑好了,开起来跟火车一样(郭德纲语)。

  而“断鞋带”的意思就是,螺栓作为连接结构一部分,是要受力的,所以如果受力过大,产品中心螺栓是有可能断的——而且就算不断,螺栓拧的太紧,螺纹也是会变形的。

  所以螺栓能不能用,用多大的螺栓——是用如下图这么大的螺栓,还是用小一点的尺寸,这些跟螺栓的直径、材料、工作环境有关,是要通过计算分析才能决定的。

  而如果你知道螺栓的强度校核,那你已经知道了机械设计的第二层境界:力学设计。这层境界,你要考虑结构受力的大小,对结构进行受力分析,再根据结构的材料,确定结构会不会断裂。这又叫静强度设计,一般采取的原则是裕度设计,就是计算出来螺栓预计要承受1吨的拉力,那你找个承受300吨拉力都不会断的螺栓肯定是没问题的——当然,就是有点儿二而已,一般来说工程上会取一个系数,比如说1.5,也就是用一枚可以承受1.5吨的力的螺栓就能够保证这颗螺栓不会断,而如果希望结构更加可靠一些,系数取2,2.5,等等。

  好了,这么看来螺栓结构也不过如此,毕竟一个大学一二年级的工科学生就会学到类似的强度校核方法和设计方法。

  首先,两个板子通过一个或者几个螺栓经过校核后连在一起,螺栓不会掉,也不会断,也不会发生不可恢复的塑性变形,你去用力的、不断的、连续的、粗鲁的将看起来连在一起的板子动来动去,扭来扭去,一段时间之后,请问你看到了什么?

  我们不去管精神病的问题,就说板子松了事情,这个时候就有点儿费解了,螺母动了吗?确实不会动,不相信你可以焊死;螺栓断了吗?塑性变形了吗?也没有,毕竟螺栓受到的拉力经过校核,不可能让螺栓断裂或者塑性变形。那是怎么回事?

  这个时候我们把螺栓拧开,把板子放到灯光下一看(请配音:嚯~~~~~~~~!):

  发生这样的情况,并不是因为虐板狂人有多么大的威力,而是因为螺栓连接看似稳定,但是实际上接触面之间还是会有些区域在外力作用下发生微小的相对位移,而金属之间磨来磨去的,铁杵都能磨成针,何况小小钢板乎?板子磨得越来越薄,当然就松了。

  这种现象,在工程里叫做微动磨损,微动是说的连接界面动来动去的幅度非常小,你肉眼几乎不会观察到,磨损就是说的材料的磨损。一般来说正常的螺栓,比如说一个柜子的螺栓,没事儿没有人去总是动来动去,所以即便螺栓接触面会有磨损,但是磨损的速度很慢,有限的寿命内你看不到松动。

  但是如果磨损的速度非常快呢?就不说航空发动机里、转子转起来速度得有一两万转每分钟,就说汽车上的螺栓吧,路上零零散散的小石子让汽车颠来颠去,这样的振动频率也不低,你就想螺栓连接的板子你用一分钟好几千下的速度扭来扭去,这板子吃得消吗?

  于是你灵机一动:“如果拼命地拧螺栓,让接触面近乎是黏在一起,那不就不会磨损了吗?”

  恭喜你,答对了。接触界面由于你的压紧力非常大,其接触会进入粘滞状态,这种状态下可以认为接触界面即便是微小的相对位移也没有。

  好的,两个板子通过一个或者几个螺栓经过校核后用力拧紧在一起,螺栓不会掉,也不会断,也不会发生不可恢复的塑性变形,接触面哪怕是一丁点儿微小的相对滑移都没有,你去用力的、不断的、连续的、粗鲁的将看起来连在一起的板子动来动去,扭来扭去,一段时间之后,请问你看到了什么?

  对的,你把螺栓拧的那么死,那么用力,那么不温柔,时间长了,螺栓接触面当然得出裂纹了。

  说起来疲劳是个很有意思的事情。首先疲劳是什么意思?人的疲劳是指人还醒着,没有睡着,但是已经想睡了,这么磨蹭着磨蹭着,人迟早得睡着,但是什么时候睡着?说不准,反正得睡着。

  机械的疲劳就是零件没断,但是时间长了得断,什么时候断?不知道。有个分布的概率,只能说一段时间以后零件坏的概率有多大。就好像一根铁丝你弯了一下,没断,两下,没断,上述现象说明铁丝中的应力还不足以使铁丝断裂,所以这根铁丝就安全了?并没有,多弯几次就断了。但是弯几次?这个有个统计数据,也许20次,也许30次,也许40次,但是大部分情况下是30次。

  可靠性设计这个事儿,各个行业有各个行业的定义,但是在我看来,与功能设计、力学设计不同的地方就在于,这个时候考虑零件的坏是跟整体有关的,比如说,接触面之间磨一磨就松了,但是多长时间会松?这个跟你摩擦的滑移距离和压紧力,还有摩擦的频率有关,这就要考虑这个螺栓在机械结构中具体的环境了。如果是在发动机的转子上,好的,大概知道是个什么环境了,摩擦的频率是转速;如果是在机匣上,又是另外一个工作环境,另外的摩擦频率。

  那么可靠性设计的依据是哪儿来的呢?这个就要靠大量的试验了。同一个螺栓拧紧力,换个滑移距离试试,对寿命有多少影响? 换换拧紧力呢?换换材料呢?所以可靠性设计是个费钱费力费时间的事情,是要靠积累的。而一般说工程经验,经验在哪儿?大概就在这里。

  这个倒不是废话,因为接触界面是一整个面,整个面上,只是有一部分被压在了一起,剩下的部分却没有。

  可以看到螺栓压紧的接触面,实际接触的区域只有虚线中的那一小部分,一个小圈儿而已。剩下的部分,属于“好像压紧了,但却没有压紧,虽然没有压紧,但却并没有分开,即便没有分开,但也不能说连在一起”的状态,十分的复杂。

  一般来说,如下图所示的航空发动机法兰螺栓连接结构,一圈无数个螺栓孔。之所以要打这么多螺栓,一般不是因为强度问题,而是因为气密性的问题。因为毕竟螺栓影响到的范围就是那么一点儿,必须要打螺栓孔打的比较密集,才能够有良好的气密性。

  我再问一个问题:“螺栓把两个零件拧在一起了,所以两个零件就拧在一起了吗?”

  螺栓把两个零件连在一起,跟两个零件完全焊接在一起是不一样的,因为螺栓不是把接触面整个连在一起的,而只是一小部分区域,所以相对而言,用螺栓连接在一起的两个零件容易产生变形一些,也就是说连接结构对组件的刚性是有影响的。为了评估连接结构对组件刚性的影响,得计算,得仿真,得试验。

  再接着,螺栓压在一起的接触面会摩擦,那么对组件的阻尼特性也是有影响的,为了评估这个影响,得计算,得仿真,得试验。

  再接着,螺栓压在一起的接触面会磨损,那么对组件的刚性和阻尼特性影响不是恒定的,那怎么办呢?得计算,得仿真,得试验。

  再接着,很多螺栓的情况下,各个螺栓好像不是拧的一样紧的,那么这会对组件有什么影响?得计算,得仿真,得试验。

  再接着,螺栓拧紧的顺序好像也会对组件的力学性质有影响,这怎么办?得计算,得仿真,得试验。

  所以,螺栓背后到底有多少可以说的呢?这么说吧,我有一本国外关于螺栓连接结构的研究专著,不过才500多页而已。这还只是机理研究,还没有说螺栓连接结构对汽车的影响,对飞机的影响,对轮船的影响,对发动机的影响,对力学特性的影响,对动力特性的影响,对疲劳寿命的影响。而这里面任何一个问题中的任何一个小问题的任何一个子问题的研究,就够写一本书的。

  也就是说,为了拧好一颗螺栓,人们在各行各业、从各个角度各个方面,计算、仿真、试验,把大把大把的心血、时间、金钱投入到了小小的螺栓之中,就是希望螺栓拧的好、拧的稳、拧的简单、拧的潇洒、拧的步步生风,拧的一日千里。

  想起来在多年前,有一种说法很流行——可能到现在也是经久不衰,那就是中国的工业输在工艺上,连街头炸油条的大叔都能眉飞色舞地说哪怕是生产线完全从国外移到中国,中国人装配完了也跟外国原装进口不一样。然后又会仿佛大彻大悟地说,外国工业革命都几百年了,肯定比我们经验丰富一些,我们得慢慢积累。

  -------------------THE END----------------------

  1. 大家比较关心飞高如何保障。这是通过气体的浮力实现的。现在的硬盘启动时都是先等盘面转速稳定了再把磁头从盘面外侧移到盘面上。磁头的机构可以利用盘面上旋转的气流浮起来,即使遇到盘面上的突起物,这个浮力仍然能保障把磁头抬起来。当然突起物太高了就撞坏磁头或者发生擦挂行成坏道。

  2. 多通道读写目前没有成品。因为硬盘的控制系统能力有限,控制一个磁头已经压力很大了。再多加控制器电路板不够用,成本和收益也不好看。再一个原因是磁头机构一直在振动。目前是一个电机带所有磁头,每个磁头带一套PZT微调。水平面内的振动会超过PZT的调节能力。除非每个磁头配个电机,不然物理上还不能实现。

  3. 硬盘做镜子挺好的。平整程度比一般的镜子高几个数量级。另外磁头电机的磁铁磁性很强,做个钩子2kg的东西完全没问题。我正用着呢。

  4. 硬盘是精密设备。尽量不要手滑掉地下。去年HP上海公司来反映有新产品容易出错。取回来一看发现磁头位置跟测试的时候不一样,外壳有摔过的痕迹。追查下去发现机柜组装工人把硬盘丢来丢去。虽然它长得像个盒子,可是它真不是盒子。

  磁头定位精度看容量,5nm无压力,不过一直有外界和自身电机的震动不可能一直呆在同一个点上。

  前年发售的10TB冷存储,写一段数据会读三次进行比较,有一次跟原始数据不一致就要重新写。所以写错的可能性是写15TB数据出错1次。也就是说把这块盘写满了也很难遇到写错了的情况。

  确切地说这不算是新动向,产品已经卖了3年多了。但是氦气硬盘对云存储的贡献相当大。存储机柜的设计有两个需求:发热量,和重量。硬盘塞太多机房地板是撑不住的。比如单柜4.7PB的机柜就会超过日本的荷重标准。发热上有些数据中心直接修在湖底,用湖水来给机房降温。10TB氦气硬盘的耗电量和重量都比6TB空气硬盘来的低。氦气粘滞系数低,盘面高速旋转时不会被搅动起来,盘面是很薄的铝片。普通的空气硬盘磁头像在台风里,控制机构要不停地定位。盘面也必须用很厚的玻璃来做,转盘电机容量要大一个档次。一来一去重量发热都上去了。

  读取磁头由一个变成两个,形成差动输入,好处多多(我的工作也多了无数),可以改善控制精度来提升纪录密度。

  激光磁头利用加热会退磁的原理,用激光照射盘面擦掉以前的数据再趁热写上新的。激光孔径非常小,写入磁头就可以做得很小,一方面增加了记录密度,另一方面也减少了把相邻数据擦掉的风险。同时磁性材料会选用去磁更困难的品种,增加了安全性。

  有一个行业是把机械结构做得越小越精密越好,深入了解一下,几乎所有的产品都会让你叹为观止。

  上面的头发是我花了半个小时画成的,可能这种灵魂画风大家还不太适应,那么

  如下——图片中右上角是花粉,剩下的两坨,是凝固后的血红细胞,齿轮嘛,和刚才那个大小差不多:

  花粉啊,细胞啊,是我们这些科研渣渣做实验的时候手一抖,不小心掉上去的,只好随便拍个照。要说我们最喜欢玩的,还是爬虫梗。一坨巨大的怪物,摧毁精密的科技,这多有意思:

  嗯,对不起我骗你了,虫子摧毁不了它。而且,拿个螨虫在上面,不是玩,是工作!

  在电动的转椅上,虫子大人很高兴,现在是低速,所以玩得很嗨,它们在田野上转,在清风里转,在飘着香的鲜花里转……

  虫子傲慢地踩过了镜面,但是镜子在齿轮的驱动下,比虫子更加傲慢地运动着,别说踩坏了,它根本就不受影响

  (比如上面这张图,就是通过一系列齿轮、梳齿等机械结构,把镜面拉平再推起,形成不同的光信号)

  MEMS,Micro-Electro-Mechanical System,微、电子、机械、系统,四个要素缺一不可,中文的译名“微机电系统”念起来很绕嘴,所以干脆就叫MEMS。

  不管你知道还是不知道,MEMS就在你身边,睡觉吃饭谈恋爱都在一起,它的应用非常广泛。

  比方说吧,上面图片里的涉及的微镜技术,80年代就已经商业化了,现在你身边的投影工具里就有它,这不,投影手机也已经面世了。

  那么,帮助你进行通话的,就是MEMS麦克风,长这样婶儿的,中间是个空腔,特别不好控制,做起来可麻烦了:

  但那就是我们的事情了,您只需要知道,MEMS在手机上的应用趋势已经无法遏制了:(废话,遏制它干嘛啊)

  你通话时用的MEMS微麦克风、打游戏时用的MEMS陀螺仪和MEMS加速度计、测量气压和楼高所用的MEMS压力传感器,还有红外、指纹、湿度等各种MEMS组件……每一个智能化的应用,都有MEMS在默默工作

  。而且未来,MEMS会用得越来越多——因为你们人类总想把生活变得越来越智能嘛!

  总之,工艺精湛,控制复杂,性能给力,应用广泛,关于MEMS的让人叹为观止的话题,说一年也说不完。因为,我给人说了十多年了,大家还在叹为观止。

  最后放一张我很久以前做的谐振器,比较糙,因为当时要流片了,版图上还有一块地方,所以就随便做着玩的。

  MEMS(微机电系统/微机械系统)应该是比较切题的了,因为它具有体积极小(厘米,毫米,微米甚至纳米大小),应用范围广,成本较低的特点,因此应用在生活中各个地方,不过一般人对其原理毫无了解,此文对MEMS技术进行详解介绍。同时,文中还介绍前段时间热门的IBM人工相变神经元中的相变材料。

  文章链接:揭开MEMS(微机电系统)的面纱 - 微机电系统(MEMS) - 知乎专栏

  对智能硬件,物联网,可穿戴/植入,传感器等高新科技感兴趣的同学欢迎关注阿hong的知乎专栏(微机电系统(MEMS)),解读各类高科技产品(谷歌智能眼镜、自动驾驶汽车,VR/AR等等酷炫科技)。

  MEMS是一门综合学科,学科交叉现象及其明显,主要涉及微加工技术,机械学/固体声波理论,热流理论,电子学,生物学等等。MEMS器件的特征长度从1毫米到1微米,相比之下头发的直径大约是50微米。MEMS传感器主要优点是体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等,是微型传感器的主力军,正在逐渐取代传统机械传感器,在各个领域几乎都有研究,不论是消费电子产品、汽车工业、甚至航空航天、机械、化工及医药等各领域。常见产品有压力传感器,加速度计,陀螺,静电致动光投影显示器,DNA扩增微系统,催化传感器。

  MEMS的快速发展是基于MEMS之前已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。 MEMS往往会采用常见的机械零件和工具所对应微观模拟元件,例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其它结构。然而,MEMS器件加工技术并非机械式。相反,它们采用类似于集成电路批处理式的微制造技术。批量制造能显著降低大规模生产的成本。若单个MEMS传感器芯片面积为5 mm x 5 mm,则一个8英寸(直径20厘米)硅片(wafer)可切割出约1000个MEMS传感器芯片(图1),分摊到每个芯片的成本则可大幅度降低。因此MEMS商业化的工程除了提高产品本身性能、可靠性外,还有很多工作集中于扩大加工硅片半径(切割出更多芯片),减少工艺步骤总数,以及尽可能地缩传感器大小。

  MEMS需要专门的电子电路IC进行采样或驱动,一般分别制造好MEMS和IC粘在同一个封装内可以简化工艺,如图3。不过具有集成可能性是MEMS技术的另一个优点。正如之前提到的,MEMS和ASIC (专用集成电路)采用相似的工艺,因此具有极大地潜力将二者集成,MEMS结构可以更容易地与微电子集成。然而,集成二者难度还是非常大,主要考虑因素是如何在制造MEMS保证IC部分的完整性。例如,部分MEMS器件需要高温工艺,而高温工艺将会破坏IC的电学特性,甚至熔化集成电路中低熔点材料。MEMS常用的压电材料氮化铝由于其低温沉积技术,因为成为一种广泛使用post-CMOS compatible(后CMOS兼容)材料。虽然难度很大,但正在逐步实现。与此同时,许多制造商已经采用了混合方法来创造成功商用并具备成本效益的MEMS 产品。一个成功的例子是ADXL203,图4。ADXL203是完整的高精度、低功耗、单轴/双轴加速度计,提供经过信号调理的电压输出,所有功能(MEMS & IC)均集成于一个单芯片中。这些器件的满量程加速度测量范围为±1.7 g,既可以测量动态加速度(例如振动),也可以测量静态加速度(例如重力)。

  在智能手机中,iPhone 5采用了4个 MEMS传感器,三星Galaxy S4手机采用了八个MEMS传感器。iPhone 6 Plus使用了六轴陀螺仪&加速度计(InvenSense MPU-6700)、三轴电子罗盘(AKM AK8963C)、三轴加速度计(Bosch Sensortec BMA280),磁力计,大气压力计(Bosch Sensortec BMP280)、指纹传感器(Authen Tec的TMDR92)、距离传感器,环境光传感器(来自AMS的TSL2581 )和MEMS麦克风。iphone 6s与之类似,稍微多一些MEMS器件,例如采用了4个MEMS麦克风。预计将来高端智能手机将采用数十个MEMS器件以实现多模通信、智能识别、导航/定位等功能。 MEMS硬件也将成为LTE技术亮点部分,将利用MEMS天线开关和数字调谐电容器实现多频带技术。

  以智能手机为主的移动设备中,应用了大量传感器以增加其智能性,提高用户体验。这些传感器并非手机等移动/通信设备独有,在本文以及后续文章其他地方所介绍的加速度、化学元素、人体感官传感器等可以了解相关信息,在此不赘叙。此处主要介绍通信中较为特别的MEMS器件,主要为与射频相关MEMS器件。

  通信系统中,大量不同频率的频带(例如不同国家,不同公司间使用不同的频率,2G,3G,LTE,CDMD以及蓝牙,wifi等等不同技术使用不同的通信频率)被使用以完成通讯功能,而这些频带的使用离不开频率的产生。声表面波器件,作为一种片外(off-chip)器件,与IC集成难度较大。表面声波(SAW)滤波器曾是手机天线年,安捷伦科技推出基于MEMS体声波(BAW)谐振器的频率器件(滤波器),该技术能够节省四分之三的空间。BAW器件不同于其他MEMS的地方在于BAW没有运动部件,主要通过体积膨胀与收缩实现其功能。(另外一个非位移式MEMS典型例子是依靠材料属性变化的MEMS器件,例如基于相变材料的开关,加入不同电压可以使材料发生相变,分别为低阻和高阻状态,详见后续开关专题)。

  在此值得一提的事,安华高Avago(前安捷伦半导体事业部)卖的如火如荼的薄膜腔声谐振器(FBAR)。也是前段时间天津大学在美国被抓的zhang hao研究的东西。得益于AlN氮化铝压电材料的沉积技术的巨大进步,AlN FBAR已经被运用在iphone上作为重要滤波器组件。下图为FBAR和为SMR (Solidly Mounted Resonator)。其原理主要通过固体声波在上下表面反射形成谐振腔。

  实物FBAR扫描电镜图。故意将其设计成不平行多边形是为了避免水平方向水平方向反射导致的谐振,如果水平方向有谐振则会形成杂波。

  可穿戴/植入式MEMS属于物联网IoT重要一部分,主要功能是通过一种更便携、快速、友好的方式(目前大部分精度达不到大型外置仪器的水平)直接向用户提供信息。可穿戴/应该说是最受用户关注,最感兴趣的话题了。大部分用户对汽车、打印机内的MEMS无感,这些器件与用户中间经过了数层中介。但是可穿戴/直接与用户接触,提升消费者科技感,更受年轻用户喜爱,例子可见Fitbit等健身手环。该领域最重要的主要有三大块:消费、健康及工业,我们在此主要讨论更受关注的前两者。消费领域的产品包含之前提到的健身手环,还有智能手表等。健康领域,即医疗领域,主要包括诊断,治疗,监测和护理。比如助听、指标检测(如血压、血糖水平),体态监测。MEMS几乎可以实现人体所有感官功能,包括视觉、听觉、味觉、嗅觉(如Honeywell电子鼻)、触觉等,各类健康指标可通过结合MEMS与生物化学进行监测。MEMS的采样精度,速度,适用性都可以达到较高水平,同时由于其体积优势可直接植入人体,是医疗辅助设备中关键的组成部分。

  传统大型医疗器械优势明显,精度高,但价格昂贵,普及难度较大,且一般一台设备只完成单一功能。相比之下,某些医疗目标可以通过MEMS技术,利用其体积小的优势,深入接触测量目标,在达到一定的精度下,降低成本,完成多重功能的整合。以近期所了解的一些MEMS项目为例,通过MEMS传感器对体内某些指标进行测量,同时MEMS执行器(actuator)可直接作用于器官或病变组织进行更直接的治疗,同时系统可以通过MEMS能量收集器进行无线供电,多组单元可以通过MEMS通信器进行信息传输。个人认为,MEMS医疗前景广阔,不过离成熟运用还有不短的距离,尤其考虑到技术难度,可靠性,人体安全等。

  可穿戴设备中最著名,流行的便数苹果手表了,其实苹果手表和苹果手表结构已经非常相似了,处理器、存储单元、通信单元、(MEMS)传感器单元等,因此对此不在赘叙。

  投影仪所采用的MEMS微镜如图13,14所示(Designing MEMS-based DLP pico projectors),其中扫描电镜图则是来自于TI的Electrostatically-driven digital mirrors for projection systems。每个微镜都由若干锚anchor或铰链hinge支撑,通过改变外部激励从而控制同一个微镜的不同锚/铰链的尺寸从而微镜倾斜特定角度,将入射光线向特定角度反射。大量微镜可以形成一个阵列从而进行大面积的反射。锚/铰链的尺寸控制可以通过许多方式实现,一种简单的方式便是通过加热使其热膨胀,当不同想同一个微镜的不同锚/铰链通入不同电流时,可以使它们产生不同形变,从而向指定角度倾斜。TI采用的是静电驱动方式,即通入电来产生静电力来倾斜微镜。

  德州仪器的数字微镜器件(DMD),广泛应用于商用或教学用投影机单元以及数字影院中。每16平方微米微镜使用其与其下的CMOS存储单元之间的电势进行静电致动。灰度图像是由脉冲宽度调制的反射镜的开启和关闭状态之间产生的。颜色通过使用三芯片方案(每一基色对应一个芯片),或通过一个单芯片以及一个色环或RGB LED光源来加入。采用后者技术的设计通过色环的旋转与DLP芯片同步,以连续快速的方式显示每种颜色,让观众看到一个完整光谱的图像 (5分钟带你了解什么是MEMS)。

  TI有一个非常非常具体生动的视频介绍该产品,你可以在这个视频中看到整个微镜阵列如何对光进行不同角度的折射(v=8l8p62JhH6o)。

  相对底座substrate产生位移(这也是绝大部分MEMS的工作原理),这个部件称为质量块(proof mass)。质量块通过锚anchor,铰链hinge,或弹簧spring与底座连接。绿色部分固定在底座。当感应到加速度时,质量块相对底座产生位移。通过一些换能技术可以将位移转换为电能,如果采用电容式传感结构(电容的大小受到两极板重叠面积或间距影响),电容大小的变化可以产生电流信号供其信号处理单元采样。通过梳齿结构可以极大地扩大传感面积,提高测量精度,降低信号处理难度。加速度计还可以通过压阻式、力平衡式和谐振式等方式实现。>

  大小不一的气泡从而将墨水喷出。具体过程为:1,左侧加热元件小于右侧加热元件,通入相同电流时,左侧产生更多热量,形成更大气泡。左侧气泡首先扩大,从而隔绝左右侧液体,保持右侧液体高压力使其喷射。喷射后气泡破裂,液体重新填充该腔体。>

  速度快,有望取代带部分传统电磁式继电器,并且可以直接与集成电路IC集成,极大地提高产品可靠性。其尺寸微小,接近于固态开关,而电路通断采用与机械接触(也有部分产品采用其他通断方式),其优势劣势基本上介于固态开关与传统机械开关之间。MEMS继电器与开关一般含有一个可移动悬臂梁,主要采用静电致动原理,当提高触点两端电压时,吸引力增加,引起悬臂梁向另一个触电移动,当移动至总行程的1/3时,开关将自动吸合(称之为pull in现象)。pull in现象在宏观世界同样存在,但是通过计算可以得知所需的阈值电压高得离谱,所以我们日常中几乎不会看到。>

  生物试验类MEMS器件由于其尺寸接近生物细胞,因此可以直接对其进行操作。(v=mh0bHwvzgMA).>

  NEMS(Nanoelectromechanical systems, 纳机电系统)与MEMS类似,主要区别在于NEMS

  首个NEMS器件由IBM在2000年展示, 如图5所示。器件为一个 32X32的

  (2D cantilever array)。该器件采用表面微加工技术加工而成(MEMS中采用应用较多的有体加工技术,当然MEMS也采用了不少表面微加工技术,关于微加工技术将会在之后的专题进行介绍)。该器件设计用来进行超高密度,快速数据存储,基于热机械读写技术(thermomechanical writing and readout),高聚物薄膜作为存储介质。该数据存储技术来源于AFM(原子力显微镜)技术,相比磁存储技术,基于AFM的存储技术具有更大潜力。

  软化/融化下方的聚合物polymer,同时施加微小压力,形成纳米级别的刻痕,用来代表一个bit。加热时通过一个位于针尖下方的阻性平台实现。对于‘读’,施加一个固定小电流,温度将会被加热平台和存储介质的距离调制,然后通过温度变化读取bit。 而温度变化可通过热阻效应(温度变化导致材料电阻变化)或者压阻效应(材料收到压力导致形变,从而导致导致材料电阻变化)读取。>

  读书的时候,偶尔需要跟老师一起去收由厂家长途运输过来的仪器和设备。有一次和老师聊天,他说生活处处皆学问,比如你知道厂家通过什么样的措施来监测货物在长途运输中是否发生过大幅度的振动、倾斜、冲击等。由于整天做电路的思维惯性,我马上说包装箱上有相应的传感器。老师听后,笑而不语,一脸“too young too simple”的表情,扔给我几个小东西,说你研究研究,看看这个方案跟你的传感器方案相比,成本相差多少。对我来说,这些小东西简直是打开了另外一个世界。

  主要用于监视货物在运输过程中是否发生了诸如倾斜、振动的情况,通常主要针对头重脚轻的货物、高精密仪器和产品、易碎的、灵敏的货物等。一方面可以提示运输人员注意运输安全,另一方面也是货物接收方收货的重要提示器。

  该防倾斜指示器由铜珠、铜杆、轨道构成,分为三组。最上面一组,用于指示货物向左倾斜的程度;中间一组,用于指示货物是否发生过颠倒;最下面一组,用于指示货物向右倾斜的程度。向左和向右倾斜的指示轨道,步进单位为10度。由于轨道角度设计精巧,所以铜珠不会自行滚回。通过三组倾斜指示轨道,可以实现检测的完备性。

  脉动式机芯结构是活动铅笔普遍采用的基本结构形式,主要由笔杆、尖套、护芯管、卡头、锁紧箍、弹簧等组成。当储芯管受揿动压力(手指压力)作用时,克服弹簧的弹性力向下移动,并使卡头爪片张开,同时铅芯依靠自身的重力,离开在储芯管内的原来位置,在制动元件阻尼圈的控制下沿着护芯管壁移动一定长度。揿动压力释放后,弹簧恢复原位,铅芯被锁紧箍和卡头自动锁紧定位,完成一次脉动出芯过程。依此往复即可连续脉动出芯。(源自“搜狗百科”:自动铅笔 - 搜狗百科)

  剪刀采用了费力杠杆的原理,以转轴为支点,施力者着手点为短壁,距离支点较近;受力物的吃力点为剪刀前端,距离支点较远。在剪刀工作的剪切过程中,一片刀刃相对另一片做相对运动,并且由支点开始,两片刀刃逐渐贴合,切口为斜面,使得切口与物品接触面积小,减少阻力,并生成较大压强,使得剪切物品较为省力。

  此处,需要注意:如果使用右手,剪切过程中,拇指和剩余四只并拢,刀刃贴合,完美!但是,如果是用左手完成剪切功能,手指必须像相反的方向运动,才能完成刀刃的闭合,非常费力。这也是为什么左利手星人很不喜欢这个工具。

  现在手机里的那个加速度计芯片,对,就是可以探测屏幕朝向的那个东西,我听说这东西存在以后一直很疑惑,测量加速度需要可以摆动的重物啊,芯片里都是半导体,咋测的…………?

  尼玛真有个重物…………感觉好重的样子……………… 还有弹簧…………………………………… 注意看底下的比例尺…… 图片来源:Looking inside the Hi Technic NXT Accelerometer for LEGO

  图片来自 iFixit~iPhone 4 Gyroscope Teardown

  看到这个提问后,脑子里第一个浮现的就是圆珠笔自动伸缩结构,从小到大一直很好奇这个结构,简单巧妙。

  ----------------------------原理------------------------------------

  (b)上下两个转轮,红色为上转轮,手指摁压的地方,黄色为下转轮,顶着笔芯。

  过程一,开始,笔芯未露出笔口,黄色转轮顶在卡槽最上面。手指往下摁压转轮直至黄色转轮退出卡槽的时候,黄色转轮左转一定角度,松开手指,此时黄色转轮凸出的地方顶在卡槽最下方,完成笔芯的伸长。

  过程二,松开的手指再次摁压转轮,黄色转轮左转一定角度,此时黄色转轮凸出的地方,恰好对着卡槽的缝,松开手指,黄色转轮在弹簧弹力的作用下,顺着缝,运动到卡槽最上面,完成笔芯的收缩。

  读到这里,相信大家有疑问,为什么每次往下摁压黄色转轮的时候,它会向左移动,而不是向右或者原地不动。

  红色转轮齿的形状为三角形,而黄色转轮的齿为锯齿。两个齿面接触的时候,受力示意图如下:

  往下摁压的时候,压力可分解为竖直方向和水平方向的力,而水平方向的力使得物体向一定的方向转动。

  马自达这个车企前进的最大驱动力就是转子发动机,卖车赚的钱大部分都用来研究转子发动机了。钱花完了就弄两个新车上市圈一波钱回头继续研究转子发动机。

  普通发动机都是做往复式活塞运动,转子发动机却是用一个类似三角形的转子做旋转运动来压缩和排放。

  三角转子的中心绕输出轴中心公转的同时,三角转子本身又绕其中心自转,输出轴的转速可以达到转子转速的3倍,而普通发动机曲轴和活塞只能保持1:1的运动。也就是说转子转一圈发动机就对外做功3次,而活塞发动机的4冲程导致它转两圈才能做功1次。因此转子发动机的 【马力/容积 比】 要大大优于活塞发动机。再加上整个发动机可以只转动两个部件就能运转,转子发动机便可以做得更小更轻,同时还能做到低重心低震动。

  不过缺点也很让人头疼,由于压缩比上不去,导致油耗高,排污严重,磨损也很厉害。目前仅有马自达一家车企还在研发制造转子发动机,其他车企觉得鸡肋老早就已经放弃了,所以没什么行业标准可言,维修自然也不便利。

  REBELLION最新款时计WEAP-ONE摆脱了形式和使用上的传统局限,真正打破固有模式。这件机械艺术作品可佩戴在身上或展示在仪表板上,不受现有规则的束缚。悬浮在小时和分钟圆盘之间的60秒不对称飞行陀飞轮在多个轴上旋转。这一新颖而富有创意的功能使陀飞轮能够从各个方向挑战地球引力。这件精美的艺术品以两颗车轮螺母完成,真正具有革命性和独特性。

  受到赛车悬架的启发,这款与Concepto合作开发的独家自产机芯被安装在可拆卸的管内,从而使其可轻易“变身”成为一个小型台钟。为了便于操作,此高超技术依靠位于钛金属底盘上、由两个推动件组成的电枢实现。

  瑞士新锐品牌Cecil Purnell于2003年由三人创办。创办人之一的Jonathan Purnell,自小受祖父对腕表工艺及机械的热诚所熏陶,为纪念他而创立Cecil Purnell;创办人之二Stephane Valsamides是一名艺术家;而品牌的重心,即机芯的设计则落在创办人之三Marcel Lachat这位制表大师的身上,他曾在多间星级品牌工作,拥有超过20年的经验,后来自己创立工作室,现与Jonathan及Stephane成为伙伴,与传统名牌分庭抗礼。

  啤酒饮料是很常见的快消品,很多人可能觉得没什么科技含量。但是目前啤酒饮料的生产线绝对震撼很多行业外的人。

  如今各行各业都已经高度专业化,即使是生活中最常见的物品的生产过程都可能是超乎想象的。

  民航客机的涡轮风扇发动机,前端风扇外缘线速度超过声速,同时保持着与外涵道极小的缝隙,能抵抗鸟和冰雹的撞击,还能在经受从海平面气温到高空极低温的变化后不出现任何问题叶片断裂时不能造成其它严重问题。涡轮机叶片在几千度高温和极高压下要保持极高的强度。(原谅我用这么多“极”)这种技术是相当高端的。

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