METech 版 (精华区)

发信人: hitter (请稍后...涅磐中), 信区: METech
标  题: GRAND IN PURPOSE INSIGNIFICANT IN SIZE
发信站: 哈工大紫丁香 (2004年01月12日08:11:05 星期一), 站内信件



GRAND IN PURPOSE
INSIGNIFICANT IN SIZE

by
William Trimmer

Belle Mead Research
58 Riverview Terrace
Belle Mead, NJ 08502-3218 USA
Email Address william@trimmer.net
Web Address http://www.trimmer.net

ABSTRACT

The field of micromechanics (also called MEMS or Micro System Technology
or Micro Machines) describes a whole new realm of human endeavor. This
paper discusses: Why has human interest in the small taken so long
to develop? What are the prospects? What can we do to ensure the
health of this emerging field? Do small things have a grand future?
MANUSCRIPT
Perhaps things normally start small, and grow. Man's habitats have
grown from houses, to buildings, to skyscrapers. Our ability to
travel has increased from a few miles on foot, to horses, to trains, and
now we can encircle the world in a few days. Individually we work to
make large accomplishments in hopes of enormous success. We are
enthralled with the big and significant and substantial.
The insignificant, insubstantial, and minuscule is usually beneath our
concern.
And yet.
A dozen years ago, I was trying to persuade a machinist to build a
very small structure. He listened patiently for awhile, and then said
'Why do you want something small, a toy? I can make you something
that is big and good.' In his mind, most people's mind, small things
were cheap, and no more than a toy. When H. A. Rowland (1848 to 1901,
professor of physics at the Johns Hopkins University, Baltimore) went to
make very small and accurate grooves for diffraction gratings, he
used large machines, and buried them in even larger vaults for thermal
stability. Ten years ago, an eminent colleague at Bell Laboratories
looked me in the eye, and said 'Your micro things will never amount to
anything. Large objects will always do a better job at a lower cost.'
This was very strongly the feeling at this time.
Even Feynman responded with good natured jesting to critics of small
machines. In his famous talk, There's Plenty of Room at the Bottom, [1]
given at the American Physical Society meeting in 1959 he says "What
would be the utility of such machines? Who knows? Of course, a small
automobile would only be useful for the mites to drive around in, and
I suppose our Christian interests don't go that far." And in his 1983
talk, Infinitesimal Machinery, [2] at the Jet Propulsion Laboratory
he says "I also talked in the 1960 lecture about small machinery, and
was able to suggest no particular use for the small machines. You
will see there has been no progress in that respect."
And yet. There is something special about this field of small
mechanical systems.
Most advances represent a specific technology. The Scanning Tunneling
Microscope for example, gives us the ability to detect and perhaps
manipulate atoms. High temperature superconductors hold the promise of
efficient power transmission, and novel electronic circuits. The
diesel engine gives us a source of mechanical power. Each of these is
an important advance of a single thing.
The field we are contemplating here today is vast beyond our normal
concerns. It is the science and engineering and development and
commercialization of a whole new realm of human enterprise. I defy
you to think of a large scale, macro, discipline in science or
engineering that does not have a small scale, micro, equivalent. Your
challenge, should you decide to accept it, is the imaging of the macro
into the micro.
You are the pioneers. How you behave, how you interact with your
colleagues, what areas you pursue, your understanding of how to
develop a new science, the clarity of your vision, will define how
this field explodes forth.
One thing giving me confidence in our future is the broad range of tools
and techniques available. We are not dependent upon a single tool
solving a problem, there are many ways to make micro devices. The
designer has a host of fabrication techniques, actuators, and sensors at
his command; and he should be free to choose the best for his purposes.
To define this field as a single technology is limiting it.
It is the richness of this field, and hopefully the collaboration
between its practitioners, that will bear the sweetest fruit.
The original ingenious and intelligent systems were mechanical, things
such as clocks that chimed and displayed dancing figures on the hour.
Electronics is now doing a superb job of providing this intelligence.
Complex calculations and decisions have now become inexpensive. It is
now the mechanical devices needed to interface electronics to the
world that are expensive. Fortunately micromechanical devices integrate
well with electronics: one providing the intelligence and one providing
the hands. Electronics has lead much of the development of
micromechanical devices by providing many of the tools and techniques,
making the rapid advances possible. This partnership is to great
advantage.
Yet how did things insignificant in size gain a purpose?
Perhaps Johann Gutenberg gave an indication of the usefulness of small
mechanical devices. Gutenberg means good mountain, and indeed, in
1456 he set in motion a mountain of small mechanical devices (individual
movable type) for the good of mankind.
For years the watch makers art has represented the limits of our micro
excursion. And the practitioners of the watch making art have succeeded
admirably. For example, the motor on a wrist watch has high
efficiency, runs for years (even after being dropped), and cost less
than a cup of coffee. Yet, when I was talking with a gentleman who
had designed many of the watches we wear, he said 'I have spent my
life trying to make smaller mechanisms, and when you show me something
really smaller, I do not know what to do with it.' This is a common
response to motors the diameter of a human hair.
Much that has happened in micromechanics was presaged by Feynman's
remarkable talk, There's Plenty of Room at the Bottom. [1] Later
Feynman gave a version of this talk to my college, and he is responsible
for igniting my interest in the possibilities for the small. If you
have not, you should read the transcript of his presentation.
Yet making things too small to manipulate with human hands was one
serious barrier to the exploration of the micro. A number of techniques
now make micro devices inexpensive to manufacture.
In 1967 the paper, The Resonant Gate Transistor, [3] described a
structural-sacrificial fabrication technique. In these initial
experiments gold was used as the structural material and photoresist was
the sacrificial material. This is an extremely powerful technique that
allows complete micro structures to be built without having to assemble
components, a great advantage when dealing with components too small to
see with the eye, or manipulate with the hand. The 1983 paper,
Polycrystalline Silicon Micromechanical Beams, [4] extended this work to
the polysilicon-silicon dioxide, structural-sacrificial, material we
now normally describe as surface micromachining.
A second powerful fabrication technique for making small things was
discussed in the 1978 paper Anisotropic Etching of Silicon. [5] A
year later the paper Fabrication of Hemispherical Structures Using
Semiconductor Technology for Use in Thermonuclear Fusion Research [6]
describes how to make micro spheres filled with deuterium-tritium
using isotropic etching. These anisotropic and isotropic etching
techniques in silicon and related materials are now commonly referred to
as bulk micromachining.
The 1982 paper Production of Separation Nozzle Systems for Uranium
Enrichment by a Combination of X-Ray Lithography and Galvano-plastics
[7] also presents an early application for microfabrication techniques
in the nuclear power generation industry. This technique is now
called LIGA (in German Lithographie, Galvanoformung, Abformung), and
makes plastic and metal parts with spectacular accuracy.
The above techniques demonstrate novel approaches to the manufacturing
of micro parts:
v Surface micromachining makes parts without assembly. It is as if an
automobile was made by putting down alternate layers of steel and flour,
and the last fabrication step was washing away the flour, leaving a
completely assembled automobile, engine and all.
v In most manufacturing, the metric (measurement system) is defined by
the tools used. In contrast, bulk micromachining relies upon the metric
in the material's crystalline structure to define the part. The part
helps define itself.
v LIGA, bulk micromachining, and surface micromachining use photons to
shape the micro devices.
Other micromachining techniques are clever extensions of macro
manufacturing techniques. A nice description of these techniques is
given in the paper Micro Machining by Machine Tools. [8]
Extensions of single point diamond machining can make micro parts with
spectacular accuracy of less than 0.01 microns (10E-8 meters or 100
Angstroms ! ) Diamond machining works well on most materials, except
a few materials like steel.
Extensions of electro discharge machining, EDM, allows minute turbines,
power generators, and orifices to be manufactured. Sacrificial
techniques, similar to surface micromachining, enable complex interior
and exterior shapes.
Many other methods of making micro things are possible. One example
is Stereo Lithography. A scanning laser beam writes the micro parts
directly onto ultra violet curable epoxy, as discussed in the papers
Real Three Dimensional Micro Fabrication using Stereo Lithography and
Metal Molding [9] and Photoforming Applied to Fine Machining. [10]
The race to more clever ways to machine micro parts has just begun.
The earlier disdain for the small and insignificant is gone. Now I
sense a growing excitement about the micro.
My fears are gone that the micro field would grow on 'isn't that neat'
and then die when no purpose was found. Enough people now recognize the
importance of micro science and engineering and product development
to ensure the field.
Things insignificant in size do have a grand purpose.
Yet, how to proceed?
First, we should work as a community, and profit from other's insights.
This workshop (MEMS '97) is an excellent place to bring together
disparate disciplines and ideas. The hosting of this workshop by many
different countries in the different regions of the world is strongly
encouraged. Also having only one session at a time helps bring people
with different ideas into the same room. And the support of students
and their presentations help bring new ideas and people into the field.
Publishing excellent articles in archival journals is critical to the
orderly development of the field. Well written articles filled with new
material help the authors and the field. Poorly written material
slapped together with one or two incrementally new results has the
unfortunate effect of risking the reputations of the authors, and
clogging the literature.
Many excellent research programs and developments have resulted from the
collaborations between people with diverse backgrounds. I especially
encourage people new to this field to form collaborations with
established groups. The behavior of micro systems is substantially
different from our normal macro experiences.
Second, a science grows by the unfettered competition of ideas, not
people.
People should be free to suggest and work on the new. Unfortunately
it is easy to disdain the unfamiliar.
Scholarship requires an unbiased and careful evaluation of one's own and
others work, an understanding of the previous literature, and honesty.
Journal articles must be fairly refereed, with a special tolerance given
to new approaches.
Science is driven by people's excitement about learning.
Third, we should build infrastructures that facilitate the growth of the
field.
Much work is needed developing the basic science and metrology of this
new field. As the field prospers and grows, more resources should be
devoted to a fundamental understanding.
Multi-user runs, where many projects share a fabrication run, help
give access and capabilities to groups far removed from the fabricators.
Efficient use of journals, books, and the world wide web for the free
exchange of information, ideas, experimental results, and computer
modeling tools speeds the development of the field.
Fourth, we should not forget our purpose.
As a child, I read about the great scientists. Men and women who have
structured our understanding of the universe by their discoveries. I
wished I could have been with these great scientists, and shared in
their adventure.
We are fortunate.
Though our work from day to day may seem insignificant in size, together
our work is grand in purpose.
I wish you well.
REFERENCES
[1] R. Feynman, "There's Plenty of Room at the Bottom," Caltech's
Engineering & Science magazine, February, 1960. (Reprinted in
Micromechanics and Mems: Classic and Seminal Papers to 1990, Edited by
W. Trimmer, the IEEE Press PC4390-QCL, ISBN 0-7803-1085-3, January 1997,
page 3.)
[2] R. Feynman, "Infinitesimal Machinery," Journal of
Microelectromechanical Systems, Volume 2, Number 1, pages 4 to 14,
March, 1993. (Reprinted in Micromechanics and MEMS, page 10.)
[3] H. C. Nathanson, W. E. Newell, R. A. Wickstrom, and J. R. Davis,
Jr., "The Resonant Gate Transistor," IEEE Transactions on Electron
Devices, March, 1967. (Reprinted in Micromechanics and MEMS, page 21.)
[4] R. T. Howe and R. S. Muller, "Polycrystalline Silicon
Micromechanical Beams," Journal of the Electrochemical Society: Solid
State Science and Technology, June, 1983. (Reprinted in Micromechanics
and MEMS, page 505.)
[5] K. E. Beam, "Anisotropic Etching of Silicon," IEEE Transactions on
Electron Devices, October, 1978. (Reprinted in Micromechanics and MEMS,
page 50.)
[6] K. D. Wise, T. N. Jackson, N. A. Masnari, M. B. Robinson, D. E.
Solomon, G. H. Wuttke, and W. B. Rensel, "Fabrication of Hemispherical
Structures Using Semiconductor Technology for Use in Thermonuclear
Fusion Research," Journal of Vacuum Science Technology, May/June, 1979.
(Reprinted in Micromechanics and MEMS, page 551.)
[7] E. W. Becker, H. Betz, W. Ehrfeld, W. Glashauser, A. Heuberger, H.
J. Michel, D. Munchmeyer, S. Pongratz, and R.v. Siemens, "Production
of Separation Nozzle Systems for Uranium Enrichment by a Combination
of X-Ray Lithography and Galvano-plastics," Naturwissenschaften, 69,
(1982), pages 520 to 523.
[8] T. Higuchi and Y. Yamagata, "Micro Machining by Machine Tools," MEMS
1993 Workshop on Micro Electro Mechanical Systems, Fort lauderdale, FL,
USA, February, 1993, pages 1 to 6.
[9] K. Ikuta and K. Hirowatari, "Real Three Dimensional Micro
Fabrication using Stereo Lithography and Metal Molding," MEMS 1993
Workshop on Micro Electro Mechanical Systems, Fort lauderdale, FL, USA,
February, 1993, page 42.
[10] T. Takagi and N. Nakajima, "Photoforming Applied to Fine
Machining," MEMS 1993 Workshop on Micro Electro Mechanical Systems,
Fort lauderdale, FL, USA, February, 1993, page 173.
Keywords: micromechanics field, history of micromachines, prospects for
MEMS, opportunities for microelectromechanical systems, development
of microsystem technology
-
--
               一念不起为坐，见本性不乱为禅;

               外不著相，内不乱为定

               外禅内定，故名禅定，即时豁然，还得本心…….

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 218.9.121.63]