有哪些深入了解後能讓人嘆為觀止的機械產品？

01-11

比如機械硬碟（HDD），運行時磁頭相對於以每分鐘五千四到一萬轉高速運轉的碟片，飛行高度只有零點幾微米，能承受一定程度的震動，還要考慮受熱膨脹導致厚度的改變，要快速精確定位到需要讀寫的磁軌。能在高速運轉下做到微米級運作精度的機械設備，已經遠遠遠超我們日常業餘手工製作的水平，作為普通人這對我來說挺不可思議的，而且最便宜的二手貨只要幾十元就能買到手。
相關問題：
人類史上令人嘆為觀止的極限精度製造成果有哪些？ - 機械
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DMD晶元，或許你們都沒聽說過這玩意吧？

它是DLP數字投影系統中成像組件的核心組成部分，目前市面上絕大部分數字投影儀或數字放映機裡面都有一顆或三顆DMD晶元。

它長這個樣子：

拿在手裡是這個樣子：

也許你會說我跑題了明明題目所說是「機械產品」我卻扔上一塊晶元來，請接著往下看。

這東西是成像用的，這裡所說的「成像」是輸出圖像，而不是像顯卡晶元那樣處理圖像。

它中間那塊銀白色的區域是若干小鏡子組成，每個小鏡子對應著1個像素點。也就是說一塊2K（解析度2048×1080）的DLP晶元上面有2211840個小鏡子。這二百多萬個小鏡子每一片都只有14×14微米，比頭髮絲還要細，並且每一片小鏡子都能獨立進行±12度的傾斜！

通過機械結構來控制傾斜角度，這下不跑題了吧？

有了這個±12度，就能成像了。

如圖，當鏡片成+12度傾斜時光源被反射出鏡頭從而照亮銀幕，當成-12度傾斜時光源被反射到吸光板上並沒有光線從鏡頭中射出銀幕成黑色。當二百多萬塊小鏡子協同工作時，便可以產生畫面。

至於如何產生灰度，這些小鏡子旋轉速度是每秒鐘數千次，通過變換開關時間，開啟時間越長灰度越淺，開啟時間越短灰度越深。

這樣，通過一個色輪來進行RGB分色或者通過三個分別表示RGB的DMD晶元來配合就能輸出彩色投影圖像了。

最後，附上小鏡子及下面機械偏轉機構的結構圖

其實看到這個問題的時候，我想到的是汽車變速箱，比如下圖（來源於網路）：

——↑汽車變速箱↑——

顯然，汽車變速箱充滿了讓人嘆為觀止的各種因素，複雜、精密，嚴絲合縫，充滿了機械之美。但是，我一瞬間又忽然想到了無級變速箱：

——↑無級變速箱（模型）↑——

雖然依舊精密而閃亮（大概是因為模型的原因），但是相比變速箱卻簡單了很多，甚至於有些無級變速箱可以稱得上是單調。

——↑單調的無級變速箱↑——

對比著兩種不同的機械，無意之中我忽然想起來我一位在汽車行業工作的親戚跟我說起過的話：汽車裡最難設計的是你最常見的汽車，那些高級跑車用著不計成本的方法冶煉生產裝配維護，設計這樣的車對設計師而言反而是容易的。但是對那些註定要生產無數輛的汽車，你要絞盡腦汁去簡化結構、增加可靠性、可維護性，直到你可以用最低的成本造出最可靠的汽車。

再次回顧題目：「深入了解後能讓人嘆為觀止的機械產品」，顯然汽車的變速箱是屬於一眼就讓人嘆為觀止的機械產品，無級變速箱看似結構更加單調，遠不如變速箱那樣讓人一眼就覺得驚為天人，但是當人們去仔細了解無級變速箱的發展歷史以及曾經攻破的技術難關，人們一定會認識到，這樣的機械產品其實凝聚了工程技術人員太多的心血，而從有級到無級，化繁為簡，雖然沒有能夠奪人眼球，但是意義卻十分重大，正所謂大巧不工是也。

所以我決定，不去講汽車變速箱（其實我也不太懂，嗯……），而是從我自己的專業角度出發，去說一樣你們雖然習以為常，但實際上卻擁有讓你嘆為觀止的背後故事的機械產品：

——↑螺栓↑——

對了，就是螺栓。

你以為這個時候我要說：「你們還是另請高明吧，我一個搞航空發動機的，怎麼來說螺栓了？」

但是實際上我卻反要問你：航空發動機里的螺栓跟上圖的螺栓有什麼本質區別嗎？

知道你不一定答得上來，我明確告訴你，除了精密螺栓之外，航空發動機中的螺栓與上圖的螺栓沒有什麼本質區別。從功用上說，螺栓就是把兩個帶孔的零件壓緊在一起的一種裝配用零件。

我首先要強調的是：螺栓的結構簡單，帶螺栓的連接結構也同樣簡單，無非就是螺栓孔，螺栓，螺母這些東西。

這麼說吧，即便是最高級的航空發動機上，理論上給你一把測力扳手——甚至於你可以隨便去五金商店買一把，告訴你怎麼擰，你也可以完成螺栓的裝配，並且日後航發上天的時候，一點問題都不會有，整個裝配的過程不需要多麼複雜的儀器和豐富的經驗。

那你又要問了：「這麼簡單我還嘆為觀止個蛋蛋？」

又輪到我反問了：「坐過公交車沒有？是否有過公交車一經過減速帶，車裡的各種廣告牌噼里啪啦響成一團的情況？」

再請問：「你的自行車（普通自行車）是否隔三差五就要去緊緊螺絲，不然只怕是自行車越騎越散？」

其實上述情況是螺栓最常遇到的情況：鬆動。因為螺栓螺母畢竟不是焊接在一塊兒，兩個板子用螺栓擰在一塊，你總是掰來掰去、晃來晃去，時間長了，螺母逐漸鬆開來了。

而且要知道，公交車的震動最大能有多大？工作環境再惡劣能有多惡劣？航空發動機呢？

汽車廣告牌鬆了，不過是隨便震震，航空發動機掉下來一顆螺栓，估計就要死人了。

當然，學過一點兒機械設計的人應該知道，不就是螺栓脫落嗎？螺栓防脫落的方式有的是，簡單的彈簧墊片、雙層螺母、自鎖墊圈，複雜一點兒的止動墊圈、粘結，實在不行就焊成一塊兒，這總不會掉了吧。

——↑螺栓自鎖墊圈↑——

確實，以上的說法沒有錯，而知道這樣的措施的人也在無意中明白了機械設計的第一層境界：功能設計，也就是用各種方法保證機械結構可以實現一個功能，並且在結構運行的過程中保證其完整性，不會掉個零件什麼的。（上述說法不太嚴密，就當我隨便說說的啦）

好了，這下似乎是行了，加上自鎖墊圈，彈簧墊片（發動機里還經常用止動墊圈），圍觀的小王同學表示他乾脆就把螺栓跟螺母之間焊死了，這下螺栓應該沒有問題了吧。

那我就又要發問了：「你是否斷過鞋帶？」

雖然你表示這什麼破問題，斷鞋帶和螺栓有什麼關係？但是你仔細一想，好像你確實斷過鞋帶——就算自己沒斷過，可能看到別人斷過。

我們導師沒事兒提到過，人類最偉大的發明之一可能是鞋帶。因為這是一種有效的連接結構。我一想，這說得有道理，鞋帶確實是實現了很多你原先用單一的一個物體做不到的事情，比如說買20輛夏利用鞋帶綁好了，開起來跟火車一樣（郭德綱語）。

而「斷鞋帶」的意思就是，螺栓作為連接結構一部分，是要受力的，所以如果受力過大，螺栓是有可能斷的——而且就算不斷，螺栓擰的太緊，螺紋也是會變形的。

所以螺栓能不能用，用多大的螺栓——是用如下圖這麼大的螺栓，還是用小一點的尺寸，這些跟螺栓的直徑、材料、工作環境有關，是要通過計算分析才能決定的。

而如果你知道螺栓的強度校核，那你已經知道了機械設計的第二層境界：力學設計。這層境界，你要考慮結構受力的大小，對結構進行受力分析，再根據結構的材料，確定結構會不會斷裂。這又叫靜強度設計，一般採取的原則是裕度設計，就是計算出來螺栓預計要承受1噸的拉力，那你找個承受300噸拉力都不會斷的螺栓肯定是沒問題的——當然，就是有點兒二而已，一般來說工程上會取一個係數，比如說1.5，也就是用一枚可以承受1.5噸的力的螺栓就能夠保證這顆螺栓不會斷，而如果希望結構更加可靠一些，係數取2，2.5，等等。

好了，這麼看來螺栓結構也不過如此，畢竟一個大學一二年級的工科學生就會學到類似的強度校核方法和設計方法。

但是實際上，事情才剛剛開始……

首先，兩個板子通過一個或者幾個螺栓經過校核後連在一起，螺栓不會掉，也不會斷，也不會發生不可恢復的塑性變形，你去用力的、不斷的、連續的、粗魯的將看起來連在一起的板子動來動去，扭來扭去，一段時間之後，請問你看到了什麼？

正確答案：「一個精神有問題的虐板狂人。」

補充答案：「板子居然鬆了！」

我們不去管精神病的問題，就說板子鬆了事情，這個時候就有點兒費解了，螺母動了嗎？確實不會動，不相信你可以焊死；螺栓斷了嗎？塑性變形了嗎？也沒有，畢竟螺栓受到的拉力經過校核，不可能讓螺栓斷裂或者塑性變形。那是怎麼回事？

這個時候我們把螺栓擰開，把板子放到燈光下一看（請配音：嚯~~~~~~~~！）：

——↑接觸表面的磨損↑——

發生這樣的情況，並不是因為虐板狂人有多麼大的威力，而是因為螺栓連接看似穩定，但是實際上接觸面之間還是會有些區域在外力作用下發生微小的相對位移，而金屬之間磨來磨去的，鐵杵都能磨成針，何況小小鋼板乎？板子磨得越來越薄，當然就鬆了。

這種現象，在工程里叫做微動磨損，微動是說的連接界面動來動去的幅度非常小，你肉眼幾乎不會觀察到，磨損就是說的材料的磨損。一般來說正常的螺栓，比如說一個柜子的螺栓，沒事兒沒有人去總是動來動去，所以即便螺栓接觸面會有磨損，但是磨損的速度很慢，有限的壽命內你看不到鬆動。

但是如果磨損的速度非常快呢？就不說航空發動機里、轉子轉起來速度得有一兩萬轉每分鐘，就說汽車上的螺栓吧，路上零零散散的小石子讓汽車顛來顛去，這樣的振動頻率也不低，你就想螺栓連接的板子你用一分鐘好幾千下的速度扭來扭去，這板子吃得消嗎？

於是你靈機一動：「如果拚命地擰螺栓，讓接觸面近乎是黏在一起，那不就不會磨損了嗎？」

恭喜你，答對了。接觸界面由於你的壓緊力非常大，其接觸會進入粘滯狀態，這種狀態下可以認為接觸界面即便是微小的相對位移也沒有。

所以問題解決了嗎？

好的，兩個板子通過一個或者幾個螺栓經過校核後用力擰緊在一起，螺栓不會掉，也不會斷，也不會發生不可恢復的塑性變形，接觸面哪怕是一丁點兒微小的相對滑移都沒有，你去用力的、不斷的、連續的、粗魯的將看起來連在一起的板子動來動去，扭來扭去，一段時間之後，請問你看到了什麼？

你說：「精神有問題的虐板狂人？」

嗯，差不多，但是更關鍵的是，你看到了（請配音：嚯~~~~~~~！）：

——↑疲勞裂紋↑——

對的，你把螺栓擰的那麼死，那麼用力，那麼不溫柔，時間長了，螺栓接觸面當然得出裂紋了。

有人就問了，裂紋是什麼東西？

其實裂紋就是裂紋，專業術語又叫疲勞裂紋，跟疲勞有關的裂紋。

說起來疲勞是個很有意思的事情。首先疲勞是什麼意思？人的疲勞是指人還醒著，沒有睡著，但是已經想睡了，這麼磨蹭著磨蹭著，人遲早得睡著，但是什麼時候睡著？說不準，反正得睡著。

機械的疲勞就是零件沒斷，但是時間長了得斷，什麼時候斷？不知道。有個分布的概率，只能說一段時間以後零件壞的概率有多大。就好像一根鐵絲你彎了一下，沒斷，兩下，沒斷，上述現象說明鐵絲中的應力還不足以使鐵絲斷裂，所以這根鐵絲就安全了？並沒有，多彎幾次就斷了。但是彎幾次？這個有個統計數據，也許20次，也許30次，也許40次，但是大部分情況下是30次。

所以我們終於引出來機械設計的第三層境界：可靠性設計。

可靠性設計這個事兒，各個行業有各個行業的定義，但是在我看來，與功能設計、力學設計不同的地方就在於，這個時候考慮零件的壞是跟整體有關的，比如說，接觸面之間磨一磨就鬆了，但是多長時間會松？這個跟你摩擦的滑移距離和壓緊力，還有摩擦的頻率有關，這就要考慮這個螺栓在機械結構中具體的環境了。如果是在發動機的轉子上，好的，大概知道是個什麼環境了，摩擦的頻率是轉速；如果是在機匣上，又是另外一個工作環境，另外的摩擦頻率。

那麼可靠性設計的依據是哪兒來的呢？這個就要靠大量的試驗了。同一個螺栓擰緊力，換個滑移距離試試，對壽命有多少影響？換換擰緊力呢？換換材料呢？所以可靠性設計是個費錢費力費時間的事情，是要靠積累的。而一般說工程經驗，經驗在哪兒？大概就在這裡。

好了，螺栓的故事就這麼結束了？遠沒有。

所以我再問一個問題：「螺栓把兩個零件壓在一起，那零件壓在一起了嗎？」

你說這不是廢話么，都壓在一起了，難道還能不壓在一起？

這個倒不是廢話，因為接觸界面是一整個面，整個面上，只是有一部分被壓在了一起，剩下的部分卻沒有。

——↑接觸面接觸狀態↑——

可以看到螺栓壓緊的接觸面，實際接觸的區域只有虛線中的那一小部分，一個小圈兒而已。剩下的部分，屬於「好像壓緊了，但卻沒有壓緊，雖然沒有壓緊，但卻並沒有分開，即便沒有分開，但也不能說連在一起」的狀態，十分的複雜。

一般來說，如下圖所示的航空發動機法蘭螺栓連接結構，一圈無數個螺栓孔。之所以要打這麼多螺栓，一般不是因為強度問題，而是因為氣密性的問題。因為畢竟螺栓影響到的範圍就是那麼一點兒，必須要打螺栓孔打的比較密集，才能夠有良好的氣密性。

——↑航空發動機中的法蘭螺栓連接結構↑——

好了好了，現在螺栓的問題總算是解決了吧？

還遠遠沒有，這才剛剛開始。

我再問一個問題：「螺栓把兩個零件擰在一起了，所以兩個零件就擰在一起了嗎？」

你說：「我特么不會再回答了，你愛咋咋地吧。」

螺栓把兩個零件連在一起，跟兩個零件完全焊接在一起是不一樣的，因為螺栓不是把接觸面整個連在一起的，而只是一小部分區域，所以相對而言，用螺栓連接在一起的兩個零件容易產生變形一些，也就是說連接結構對組件的剛性是有影響的。為了評估連接結構對組件剛性的影響，得計算，得模擬，得試驗。

再接著，螺栓壓在一起的接觸面會摩擦，那麼對組件的阻尼特性也是有影響的，為了評估這個影響，得計算，得模擬，得試驗。

再接著，螺栓壓在一起的接觸面會磨損，那麼對組件的剛性和阻尼特性影響不是恆定的，那怎麼辦呢？得計算，得模擬，得試驗。

再接著，很多螺栓的情況下，各個螺栓好像不是擰的一樣緊的，那麼這會對組件有什麼影響？得計算，得模擬，得試驗。

再接著，螺栓擰緊的順序好像也會對組件的力學性質有影響，這怎麼辦？得計算，得模擬，得試驗。

……

所以，螺栓背後到底有多少可以說的呢？這麼說吧，我有一本國外關於螺栓連接結構的研究專著，不過才500多頁而已。這還只是機理研究，還沒有說螺栓連接結構對汽車的影響，對飛機的影響，對輪船的影響，對發動機的影響，對力學特性的影響，對動力特性的影響，對疲勞壽命的影響。而這裡面任何一個問題中的任何一個小問題的任何一個子問題的研究，就夠寫一本書的。

也就是說，為了擰好一顆螺栓，人們在各行各業、從各個角度各個方面，計算、模擬、試驗，把大把大把的心血、時間、金錢投入到了小小的螺栓之中，就是希望螺栓擰的好、擰的穩、擰的簡單、擰的瀟洒、擰的步步生風，擰的一日千里。

大概就是這樣。

想起來在多年前，有一種說法很流行——可能到現在也是經久不衰，那就是中國的工業輸在工藝上，連街頭炸油條的大叔都能眉飛色舞地說哪怕是生產線完全從國外移到中國，中國人裝配完了也跟外國原裝進口不一樣。然後又會彷彿大徹大悟地說，外國工業革命都幾百年了，肯定比我們經驗豐富一些，我們得慢慢積累。

所以請問，「中國人怎麼裝配的？」

我自問自答吧，「擰螺栓裝配的。」

所以再請問，「那外國工業革命到現在幾百年了，都積累了些什麼？」

我實在也不是謙虛，就最後自問自答一下：

「特娘的擰螺栓呀！」

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

----2016/10/02----

1. 大家比較關心飛高如何保障。這是通過氣體的浮力實現的。現在的硬碟啟動時都是先等盤面轉速穩定了再把磁頭從盤面外側移到盤面上。磁頭的機構可以利用盤面上旋轉的氣流浮起來，即使遇到盤面上的突起物，這個浮力仍然能保障把磁頭抬起來。當然突起物太高了就撞壞磁頭或者發生擦掛行成壞道。

2. 多通道讀寫目前沒有成品。因為硬碟的控制系統能力有限，控制一個磁頭已經壓力很大了。再多加控制器電路板不夠用，成本和收益也不好看。再一個原因是磁頭機構一直在振動。目前是一個電機帶所有磁頭，每個磁頭帶一套PZT微調。水平面內的振動會超過PZT的調節能力。除非每個磁頭配個電機，不然物理上還不能實現。

3. 硬碟做鏡子挺好的。平整程度比一般的鏡子高几個數量級。另外磁頭電機的磁鐵磁性很強，做個鉤子2kg的東西完全沒問題。我正用著呢。

4. 硬碟是精密設備。盡量不要手滑掉地下。去年HP上海公司來反映有新產品容易出錯。取回來一看發現磁頭位置跟測試的時候不一樣，外殼有摔過的痕迹。追查下去發現機櫃組裝工人把硬碟丟來丟去。雖然它長得像個盒子，可是它真不是盒子。

-------以下原文-------

利益相關：硬碟研發人員

硬碟磁頭飛高讀寫時1nm，尋道時9nm

磁頭定位精度看容量，5nm無壓力，不過一直有外界和自身電機的震動不可能一直呆在同一個點上。

以上是去年發售的10TB雲存儲產品的標準。

前年發售的10TB冷存儲，寫一段數據會讀三次進行比較，有一次跟原始數據不一致就要重新寫。所以寫錯的可能性是寫15TB數據出錯1次。也就是說把這塊盤寫滿了也很難遇到寫錯了的情況。

新動向1:沖氦氣

確切地說這不算是新動向，產品已經賣了3年多了。但是氦氣硬碟對雲存儲的貢獻相當大。存儲機櫃的設計有兩個需求：發熱量，和重量。硬碟塞太多機房地板是撐不住的。比如單櫃4.7PB的機櫃就會超過日本的荷重標準。發熱上有些數據中心直接修在湖底，用湖水來給機房降溫。10TB氦氣硬碟的耗電量和重量都比6TB空氣硬碟來的低。氦氣粘滯係數低，盤面高速旋轉時不會被攪動起來，盤面是很薄的鋁片。普通的空氣硬碟磁頭像在颱風里，控制機構要不停地定位。盤面也必須用很厚的玻璃來做，轉盤電機容量要大一個檔次。一來一去重量發熱都上去了。

新動向2: 2維紀錄

讀取磁頭由一個變成兩個，形成差動輸入，好處多多（我的工作也多了無數），可以改善控制精度來提升紀錄密度。

新動向3：激光磁頭

激光磁頭利用加熱會退磁的原理，用激光照射盤面擦掉以前的數據再趁熱寫上新的。激光孔徑非常小，寫入磁頭就可以做得很小，一方面增加了記錄密度，另一方面也減少了把相鄰數據擦掉的風險。同時磁性材料會選用去磁更困難的品種，增加了安全性。

有一個行業是把機械結構做得越小越精密越好，深入了解一下，幾乎所有的產品都會讓你嘆為觀止。比如，左邊這張圖，是每分鐘6000轉的齒輪結構；右邊這張圖，是每分鐘頂多會搖晃兩三下的——你的一根頭髮。大小比例相等：

上面的頭髮是我花了半個小時畫成的，可能這種靈魂畫風大家還不太適應，那麼實物對比如下——圖片中右上角是花粉，剩下的兩坨，是凝固後的血紅細胞，齒輪嘛，和剛才那個大小差不多：

花粉啊，細胞啊，是我們這些科研渣渣做實驗的時候手一抖，不小心掉上去的，只好隨便拍個照。要說我們最喜歡玩的，還是爬蟲梗。一坨巨大的怪物，摧毀精密的科技，這多有意思：

嗯，對不起我騙你了，蟲子摧毀不了它。而且，拿個蟎蟲在上面，不是玩，是工作！因為這套系統的可靠性是很不錯的，所以請幾隻蟲子先生來體驗一下。

在電動的轉椅上，蟲子大人很高興，現在是低速，所以玩得很嗨，它們在田野上轉，在清風裡轉，在飄著香的鮮花里轉……

「謝謝啊！但是這個速度我有點受不了……」

「轉椅玩膩了，咦，這個動來動去的鏡子我能踩一下嗎？」

踩吧踩吧，鏡子不會壞的，你用不著賠錢。

（蟲子傲慢地踩過了鏡面，但是鏡子在齒輪的驅動下，比蟲子更加傲慢地運動著，別說踩壞了，它根本就不受影響）

不過，如果你能趴下來看，這鏡子確實顯得又薄又脆，跟餅乾似的：

但是它顯然不是餅乾，這個行業叫MEMS，做的東西比餅乾可好玩多了。

（比如上面這張圖，就是通過一系列齒輪、梳齒等機械結構，把鏡面拉平再推起，形成不同的光信號）

MEMS，Micro-Electro-Mechanical System，微、電子、機械、系統，四個要素缺一不可，中文的譯名「微機電系統」念起來很繞嘴，所以乾脆就叫MEMS。對，光聽名字就很奢華，是一個很低調又很牛氣閃閃的行業。

不管你知道還是不知道，MEMS就在你身邊，睡覺吃飯談戀愛都在一起，它的應用非常廣泛。比方說吧，上面圖片里的涉及的微鏡技術，80年代就已經商業化了，現在你身邊的投影工具里就有它，這不，投影手機也已經面世了。

其它應用也太多了，印表機噴頭、汽車安全氣囊、遊戲機……算了，咱們就光說手機——

你有手機吧？你用它打電話吧？

那麼，幫助你進行通話的，就是MEMS麥克風，長這樣嬸兒的，中間是個空腔，特別不好控制，做起來可麻煩了：

但那就是我們的事情了，您只需要知道，MEMS在手機上的應用趨勢已經無法遏制了：（廢話，遏制它幹嘛啊）

看看，不止是你通話時用的MEMS微麥克風、打遊戲時用的MEMS陀螺儀和MEMS加速度計、測量氣壓和樓高所用的MEMS壓力感測器，還有紅外、指紋、濕度等各種MEMS組件……每一個智能化的應用，都有MEMS在默默工作。而且未來，MEMS會用得越來越多——因為你們人類總想把生活變得越來越智能嘛！

總之，工藝精湛，控制複雜，性能給力，應用廣泛，關於MEMS的讓人嘆為觀止的話題，說一年也說不完。因為，我給人說了十多年了，大家還在嘆為觀止。

最後放一張我很久以前做的諧振器，比較糙，因為當時要流片了，版圖上還有一塊地方，所以就隨便做著玩的。

MEMS（微機電系統/微機械系統）應該是比較切題的了，因為它具有體積極小（厘米，毫米，微米甚至納米大小），應用範圍廣，成本較低的特點，因此應用在生活中各個地方，不過一般人對其原理毫無了解，此文對MEMS技術進行詳解介紹。同時，文中還介紹前段時間熱門的IBM人工相變神經元中的相變材料。

文章鏈接：揭開MEMS（微機電系統）的面紗 - 微機電系統（MEMS） - 知乎專欄

更多MEMS內容關注專欄

題圖中所展示為放大後的MEMS結構與一根頭髮絲（0.05毫米）。

寫在前面

對智能硬體，物聯網，可穿戴/植入，感測器等高新科技感興趣的同學歡迎關注阿hong的知乎專欄（微機電系統（MEMS）），解讀各類高科技產品（谷歌智能眼鏡、自動駕駛汽車，VR/AR等等酷炫科技）。

雖然大部分人對於MEMS（Microelectromechanical systems， 微機電系統/微機械/微系統）還是感到很陌生，但是其實MEMS在我們生產，甚至生活中早已無處不在了，智能手機，健身手環、印表機、汽車、無人機以及VR/AR頭戴式設備，部分早期和幾乎所有近期電子產品都應用了MEMS器件。

MEMS是一門綜合學科，學科交叉現象及其明顯，主要涉及微加工技術，機械學/固體聲波理論，熱流理論，電子學，生物學等等。MEMS器件的特徵長度從1毫米到1微米，相比之下頭髮的直徑大約是50微米。MEMS感測器主要優點是體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易於集成等，是微型感測器的主力軍，正在逐漸取代傳統機械感測器，在各個領域幾乎都有研究，不論是消費電子產品、汽車工業、甚至航空航天、機械、化工及醫藥等各領域。常見產品有壓力感測器，加速度計，陀螺，靜電致動光投影顯示器，DNA擴增微系統，催化感測器。

MEMS的快速發展是基於MEMS之前已經相當成熟的微電子技術、集成電路技術及其加工工藝。 MEMS往往會採用常見的機械零件和工具所對應微觀模擬元件，例如它們可能包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其它結構。然而，MEMS器件加工技術並非機械式。相反，它們採用類似於集成電路批處理式的微製造技術。批量製造能顯著降低大規模生產的成本。若單個MEMS感測器晶元面積為5 mm x 5 mm，則一個8英寸(直徑20厘米)矽片(wafer)可切割出約1000個MEMS感測器晶元（圖1），分攤到每個晶元的成本則可大幅度降低。因此MEMS商業化的工程除了提高產品本身性能、可靠性外，還有很多工作集中於擴大加工矽片半徑（切割出更多晶元），減少工藝步驟總數，以及儘可能地縮感測器大小。

圖1. 8英寸矽片上的MEMS晶元（5mm X 5mm）示意圖

圖2. 從硅原料到矽片過程。矽片上的重複單元可稱為晶元（chip 或die）。

（流程視頻Computer History Museum，https://www.youtube.com/watch?v=UvluuAIiA50）

MEMS需要專門的電子電路IC進行採樣或驅動，一般分別製造好MEMS和IC粘在同一個封裝內可以簡化工藝，如圖3。不過具有集成可能性是MEMS技術的另一個優點。正如之前提到的，MEMS和ASIC (專用集成電路)採用相似的工藝，因此具有極大地潛力將二者集成，MEMS結構可以更容易地與微電子集成。然而，集成二者難度還是非常大，主要考慮因素是如何在製造MEMS保證IC部分的完整性。例如，部分MEMS器件需要高溫工藝，而高溫工藝將會破壞IC的電學特性，甚至熔化集成電路中低熔點材料。MEMS常用的壓電材料氮化鋁由於其低溫沉積技術，因為成為一種廣泛使用post-CMOS compatible（後CMOS兼容）材料。雖然難度很大，但正在逐步實現。與此同時，許多製造商已經採用了混合方法來創造成功商用並具備成本效益的MEMS 產品。一個成功的例子是ADXL203，圖4。ADXL203是完整的高精度、低功耗、單軸/雙軸加速度計，提供經過信號調理的電壓輸出，所有功能（MEMS IC）均集成於一個單晶元中。這些器件的滿量程加速度測量範圍為±1.7 g，既可以測量動態加速度（例如振動），也可以測量靜態加速度（例如重力）。

圖3. MEMS與IC在不同的矽片上製造好了再粘合在同一個封裝內

圖4. ADXL203（單片集成了MEMS與IC）

NEMS，即納（米）機電系統

NEMS內容已移至文末。

2.通信/移動設備

圖7. 智能手機簡化示意圖（How MEMS Enable Smartphone Features，http://smartphoneworld.me/mobile-commerce-2-0-where-payments-location-and-advertising-converge）

在智能手機中，iPhone 5採用了4個 MEMS感測器，三星Galaxy S4手機採用了八個MEMS感測器。iPhone 6 Plus使用了六軸陀螺儀加速度計（InvenSense MPU-6700）、三軸電子羅盤（AKM AK8963C）、三軸加速度計（Bosch Sensortec BMA280），磁力計，大氣壓力計（Bosch Sensortec BMP280）、指紋感測器(Authen Tec的TMDR92)、距離感測器，環境光感測器(來自AMS的TSL2581 )和MEMS麥克風。iphone 6s與之類似，稍微多一些MEMS器件，例如採用了4個MEMS麥克風。預計將來高端智能手機將採用數十個MEMS器件以實現多模通信、智能識別、導航/定位等功能。 MEMS硬體也將成為LTE技術亮點部分，將利用MEMS天線開關和數字調諧電容器實現多頻帶技術。

以智能手機為主的移動設備中，應用了大量感測器以增加其智能性，提高用戶體驗。這些感測器並非手機等移動/通信設備獨有，在本文以及後續文章其他地方所介紹的加速度、化學元素、人體感官感測器等可以了解相關信息，在此不贅敘。此處主要介紹通信中較為特別的MEMS器件，主要為與射頻相關MEMS器件。

通信系統中，大量不同頻率的頻帶（例如不同國家，不同公司間使用不同的頻率，2G，3G，LTE，CDMD以及藍牙，wifi等等不同技術使用不同的通信頻率）被使用以完成通訊功能，而這些頻帶的使用離不開頻率的產生。聲表面波器件，作為一種片外(off-chip)器件，與IC集成難度較大。表面聲波（SAW）濾波器曾是手機天線雙工器的中流砥柱。2005年，安捷倫科技推出基於MEMS體聲波（BAW）諧振器的頻率器件（濾波器），該技術能夠節省四分之三的空間。BAW器件不同於其他MEMS的地方在於BAW沒有運動部件，主要通過體積膨脹與收縮實現其功能。（另外一個非位移式MEMS典型例子是依靠材料屬性變化的MEMS器件，例如基於相變材料的開關，加入不同電壓可以使材料發生相變，分別為低阻和高阻狀態，詳見後續開關專題）。

在此值得一提的事，安華高Avago（前安捷倫半導體事業部）賣的如火如荼的薄膜腔聲諧振器（FBAR）。也是前段時間天津大學在美國被抓的zhang hao研究的東西。得益於AlN氮化鋁壓電材料的沉積技術的巨大進步，AlN FBAR已經被運用在iphone上作為重要濾波器組件。下圖為FBAR和為SMR (Solidly Mounted Resonator)。其原理主要通過固體聲波在上下表面反射形成諧振腔。

圖8. FBAR示意圖，壓電薄膜懸空在腔體至上

圖9. SMR示意圖(非懸空結構，採用Bragg reflector布拉格反射層) （SAW/FBAR設備的工作原理及使用範例）

如果所示，其中的紅色線條表示震動幅度。固體聲波在垂直方向發生反射，從而將能量集中於中間橙色的壓電層中。頂部是與空氣的交界面，接近於100%反射。底部是其與布拉格反射層的界面，無法達到完美反射，因此部分能量向下泄露。

實物FBAR掃描電鏡圖。故意將其設計成不平行多邊形是為了避免水平方向水平方向反射導致的諧振，如果水平方向有諧振則會形成雜波。

上圖所示為消除雜波前後等效導納（即阻抗倒數，或者簡單理解為電阻值倒數）。消除雜波後其特性曲線更平滑，效率更高，損耗更小，所形成的濾波器在同頻帶內的紋波更小。

圖示為若干FBAR連接起來形成濾波器。右圖為封裝好後的FBAR濾波器晶元及米粒對比，該濾波器比米粒還要小上許多。
3.可穿戴/植入式領域

圖10. 用戶與物聯網

可穿戴/植入式MEMS屬於物聯網IoT重要一部分，主要功能是通過一種更便攜、快速、友好的方式（目前大部分精度達不到大型外置儀器的水平）直接向用戶提供信息。可穿戴/應該說是最受用戶關注，最感興趣的話題了。大部分用戶對汽車、印表機內的MEMS無感，這些器件與用戶中間經過了數層中介。但是可穿戴/直接與用戶接觸，提升消費者科技感，更受年輕用戶喜愛，例子可見Fitbit等健身手環。該領域最重要的主要有三大塊：消費、健康及工業，我們在此主要討論更受關注的前兩者。消費領域的產品包含之前提到的健身手環，還有智能手錶等。健康領域，即醫療領域，主要包括診斷，治療，監測和護理。比如助聽、指標檢測（如血壓、血糖水平），體態監測。MEMS幾乎可以實現人體所有感官功能，包括視覺、聽覺、味覺、嗅覺（如Honeywell電子鼻）、觸覺等，各類健康指標可通過結合MEMS與生物化學進行監測。MEMS的採樣精度，速度，適用性都可以達到較高水平，同時由於其體積優勢可直接植入人體，是醫療輔助設備中關鍵的組成部分。

傳統大型醫療器械優勢明顯，精度高，但價格昂貴，普及難度較大，且一般一台設備只完成單一功能。相比之下，某些醫療目標可以通過MEMS技術，利用其體積小的優勢，深入接觸測量目標，在達到一定的精度下，降低成本，完成多重功能的整合。以近期所了解的一些MEMS項目為例，通過MEMS感測器對體內某些指標進行測量，同時MEMS執行器（actuator）可直接作用於器官或病變組織進行更直接的治療，同時系統可以通過MEMS能量收集器進行無線供電，多組單元可以通過MEMS通信器進行信息傳輸。個人認為，MEMS醫療前景廣闊，不過離成熟運用還有不短的距離，尤其考慮到技術難度，可靠性，人體安全等。

圖11. MEMS實現人體感官功能

可穿戴設備中最著名，流行的便數蘋果手錶了，其實蘋果手錶和蘋果手錶結構已經非常相似了，處理器、存儲單元、通信單元、（MEMS）感測器單元等，因此對此不在贅敘。

圖12. 蘋果手表示意圖*Sensors for Wearable Electronics Mobile Healthcare

其他領域

4.投影儀

投影儀所採用的MEMS微鏡如圖13,14所示（Designing MEMS-based DLP pico projectors），其中掃描電鏡圖則是來自於TI的Electrostatically-driven digital mirrors for projection systems。每個微鏡都由若干錨anchor或鉸鏈hinge支撐，通過改變外部激勵從而控制同一個微鏡的不同錨/鉸鏈的尺寸從而微鏡傾斜特定角度，將入射光線向特定角度反射。大量微鏡可以形成一個陣列從而進行大面積的反射。錨/鉸鏈的尺寸控制可以通過許多方式實現，一種簡單的方式便是通過加熱使其熱膨脹，當不同想同一個微鏡的不同錨/鉸鏈通入不同電流時，可以使它們產生不同形變，從而向指定角度傾斜。TI採用的是靜電驅動方式，即通入電來產生靜電力來傾斜微鏡。

圖13 微鏡的SEM示意圖

圖14 微鏡結構示意圖

德州儀器的數字微鏡器件(DMD)，廣泛應用於商用或教學用投影機單元以及數字影院中。每16平方微米微鏡使用其與其下的CMOS存儲單元之間的電勢進行靜電致動。灰度圖像是由脈衝寬度調製的反射鏡的開啟和關閉狀態之間產生的。顏色通過使用三晶元方案(每一基色對應一個晶元)，或通過一個單晶元以及一個色環或RGB LED光源來加入。採用後者技術的設計通過色環的旋轉與DLP晶元同步，以連續快速的方式顯示每種顏色，讓觀眾看到一個完整光譜的圖像 (5分鐘帶你了解什麼是MEMS)。

TI有一個非常非常具體生動的視頻介紹該產品，你可以在這個視頻中看到整個微鏡陣列如何對光進行不同角度的折射(https://www.youtube.com/watch?v=8l8p62JhH6o)。

圖15 微鏡反射光線示意圖

5.MEMS 加速度計

加速度感測器是最早廣泛應用的MEMS之一。MEMS，作為一個機械結構為主的技術，可以通過設計使一個部件(圖15中橙色部件)相對底座substrate產生位移（這也是絕大部分MEMS的工作原理），這個部件稱為質量塊（proof mass）。質量塊通過錨anchor，鉸鏈hinge，或彈簧spring與底座連接。綠色部分固定在底座。當感應到加速度時，質量塊相對底座產生位移。通過一些換能技術可以將位移轉換為電能，如果採用電容式感測結構（電容的大小受到兩極板重疊面積或間距影響），電容大小的變化可以產生電流信號供其信號處理單元採樣。通過梳齒結構可以極大地擴大感測面積，提高測量精度，降低信號處理難度。加速度計還可以通過壓阻式、力平衡式和諧振式等方式實現。

圖15 MEMS加速度計結構示意圖

圖16 MEMS加速度計中位移與電容變化示意圖

汽車碰撞後，感測器的proof mass產生相對位移，信號處理單元採集該位移產生的電信號，觸發氣囊。更直觀的效果可以觀看視頻。

圖17. 汽車碰撞後加速度計的輸出變化。可參見一下鏈接（https://www.youtube.com/watch?v=ObXspXB9sJI，https://www.youtube.com/watch?v=eqZgxR6eRjo）

實物圖，比例尺為20微米，即20/1000毫米。

6.列印噴嘴

一種設計精巧的列印噴嘴如下圖所示。兩個不同大小的加熱元件產生大小不一的氣泡從而將墨水噴出。具體過程為：1，左側加熱元件小於右側加熱元件，通入相同電流時，左側產生更多熱量，形成更大氣泡。左側氣泡首先擴大，從而隔絕左右側液體，保持右側液體高壓力使其噴射。噴射後氣泡破裂，液體重新填充該腔體。

圖18. 採用氣泡膨脹的噴墨式MEMS

圖19. HP生產的噴墨式MEMS相關產品

另一種類型MEMS列印噴頭，也是通過加熱，氣泡擴大將墨水擠出：

MEMS噴頭nozzle及加熱器heater實物圖:

還有一種類型是通過壓電薄膜震動來擠壓墨水出來：

7.開關/繼電器

MEMS繼電器與開關。其優勢是體積小（密度高，採用微工藝批量製造從而降低成本），速度快，有望取代帶部分傳統電磁式繼電器，並且可以直接與集成電路IC集成，極大地提高產品可靠性。其尺寸微小，接近於固態開關，而電路通斷採用與機械接觸（也有部分產品採用其他通斷方式），其優勢劣勢基本上介於固態開關與傳統機械開關之間。MEMS繼電器與開關一般含有一個可移動懸臂樑，主要采用靜電致動原理，當提高觸點兩端電壓時，吸引力增加，引起懸臂樑向另一個觸電移動，當移動至總行程的1/3時，開關將自動吸合（稱之為pull in現象）。pull in現象在宏觀世界同樣存在，但是通過計算可以得知所需的閾值電壓高得離譜，所以我們日常中幾乎不會看到。

圖20. MEMS開關斷合示意圖

再貼上幾張實物圖片，與示意圖並非完全一致，但是原理類似，都是控制著一個間隙gap接觸與否：

另一類獨特的MEMS開關-相變開關，相變材料是一類獨特的材料，也是前段時間IBM人工神經元採用的材料，可參看文章：

從IBM人工神經元說起--相變材料與MEMS - 微機電系統（MEMS） - 知乎專欄

生物試驗類

MEMS器件由於其尺寸接近生物細胞，因此可以直接對其進行操作。（ https://www.youtube.com/watch?v=mh0bHwvzgMA).

圖21. MEMS操作細胞示意圖

NEMS（納機電系統）

NEMS（Nanoelectromechanical systems, 納機電系統）與MEMS類似，主要區別在於NEMS尺度/重量更小，諧振頻率高，可以達到極高測量精度(小尺寸效應)，比MEMS更高的表面體積比可以提高表面感測器的敏感程度,(表面效應)，且具有利用量子效應探索新型測量手段的潛力。

首個NEMS器件由IBM在2000年展示, 如圖5所示。器件為一個 32X32的二維懸臂樑（2D cantilever array）。該器件採用表面微加工技術加工而成（MEMS中採用應用較多的有體加工技術，當然MEMS也採用了不少表面微加工技術，關於微加工技術將會在之後的專題進行介紹）。該器件設計用來進行超高密度，快速數據存儲，基於熱機械讀寫技術（thermomechanical writing and readout），高聚物薄膜作為存儲介質。該數據存儲技術來源於AFM(原子力顯微鏡)技術，相比磁存儲技術，基於AFM的存儲技術具有更大潛力。

快速熱機械寫入技術（Fast thermomechanical writing）基於以下概念（圖6），『寫入』時通過加熱的針尖局部軟化/融化下方的聚合物polymer，同時施加微小壓力，形成納米級別的刻痕，用來代表一個bit。加熱時通過一個位於針尖下方的阻性平台實現。對於『讀』，施加一個固定小電流，溫度將會被加熱平台和存儲介質的距離調製，然後通過溫度變化讀取bit。而溫度變化可通過熱阻效應（溫度變化導致材料電阻變化）或者壓阻效應（材料收到壓力導致形變，從而導致導致材料電阻變化）讀取。

圖5. IBM 二維懸臂樑NEMS掃描電鏡圖（SEM）其針尖小於20nm

圖6.快速熱機械寫入技術示意圖

其他參考文獻：

1. M. Despont, J. Brugger, U. Drechsler, U. Dürig, W. H?berle, M. Lutwyche, H. Rothuizen, R. Stutz, R. Widmer, G. Binnig, H. Rohrer, P. Vettiger, VLSI-NEMS chip for parallel AFM data storage, Sensors and Actuators A: Physical, Volume 80, Issue 2, 10 March 2000, Pages 100-107, ISSN 0924-4247, VLSI-NEMS chip for parallel AFM data storage.

2. M. Despont, J. Brugger, U. Drechsler, U. Dürig, W. H?berle, M. Lutwyche, H. Rothuizen, R. Stutz, R. Widmer, G. Binnig, H. Rohrer, P. Vettiger, VLSI-NEMS chip for AFM data storage, Technical Digest 12th IEEE Int. Micro Electro Mechanical Systems Conf. MEMS "99, Orlando, FL, January 1999, IEEE, Piscataway, 1999, pp. 564–569.

3. Fan-Gang Tseng, Chang-Jin Kim and Chih-Ming Ho, "A high-resolution high-frequency monolithic top-shooting microinjector free of satellite drops - part I: concept, design, and model," inJournal of Microelectromechanical Systems, vol. 11, no. 5, pp. 427-436, Oct 2002.

4. Sensors for Wearable Electronics Mobile Healthcare

5. Martín, F.; Bonache, J. Application of RF-MEMS-Based Split Ring Resonators (SRRs) to the Implementation of Reconfigurable Stopband Filters: A Review. Sensors2014, 14, 22848-22863.

（ADXL203 精密±1.7g 雙軸iMEMS? 加速度計數據手冊及應用電路，http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADXL103_203.pdf）

（Andreas C. Fischer ; Fredrik Forsberg ; Martin Lapisa ; Simon J. Bleiker ; G?ran Stemme ; Niclas Roxhed ; Frank Niklaus，Integrating MEMS and ICs，Microsystems Nanoengineering, 2015, Vol.1. Integrating MEMS and ICs : Microsystems Nanoengineering）

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果然不管在知乎寫什麼評論區都會有噴子，本人寫了一些MEMS科普文，沒有用此賺過一分一毫，仍然被某些噴子說在推銷，好像德州儀器TI, ADI,安捷倫安華高是我家開的一樣，呵呵

機械結構愛好者來答題。列幾個日常生活中很常見的、但又容易被忽視的、設計較為精巧的機械產品。

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修改歷史：

2016.10.15

經評論區指正，把部分圖片中的logo塗去，以避免有軟文之嫌。以下圖片均來自搜索引擎，本人未從事任何與運輸相關的行業。

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一、運輸安全指示貼

讀書的時候，偶爾需要跟老師一起去收由廠家長途運輸過來的儀器和設備。有一次和老師聊天，他說生活處處皆學問，比如你知道廠家通過什麼樣的措施來監測貨物在長途運輸中是否發生過大幅度的振動、傾斜、衝擊等。由於整天做電路的思維慣性，我馬上說包裝箱上有相應的感測器。老師聽後，笑而不語，一臉「too young too simple」的表情，扔給我幾個小東西，說你研究研究，看看這個方案跟你的感測器方案相比，成本相差多少。對我來說，這些小東西簡直是打開了另外一個世界。

1、防衝擊指示器

防衝擊指示器標籤由相互垂直的兩組彈簧滾珠構成。出廠時，將該標籤貼於貨物包裝箱外，一般貼上下的幾個角上，初始化設定一定的衝擊加速度閾值，若產品在運輸途中，任意一個方向的衝擊速度，超過該閾值，則彈簧彈出，滾珠落入下方，結果無法復原。

2、防傾斜指示器

主要用於監視貨物在運輸過程中是否發生了諸如傾斜、振動的情況，通常主要針對頭重腳輕的貨物、高精密儀器和產品、易碎的、靈敏的貨物等。一方面可以提示運輸人員注意運輸安全，另一方面也是貨物接收方收貨的重要提示器。

該防傾斜指示器由銅珠、銅桿、軌道構成，分為三組。最上面一組，用於指示貨物向左傾斜的程度；中間一組，用於指示貨物是否發生過顛倒；最下面一組，用於指示貨物向右傾斜的程度。向左和向右傾斜的指示軌道，步進單位為10度。由於軌道角度設計精巧，所以銅珠不會自行滾回。通過三組傾斜指示軌道，可以實現檢測的完備性。

感謝 @炒飯指正。

另一種傾斜指示貼。沙子原來在三角區，伸出來的兩條裡面有膠，沙子進入就被粘住，圖片上是完全倒置的狀態。

二、自動鉛筆

脈動式機芯結構是活動鉛筆普遍採用的基本結構形式,主要由筆桿、尖套、護芯管、卡頭、鎖緊箍、彈簧等組成。當儲芯管受撳動壓力(手指壓力)作用時,克服彈簧的彈性力向下移動,並使卡頭爪片張開,同時鉛芯依靠自身的重力,離開在儲芯管內的原來位置,在制動元件阻尼圈的控制下沿著護芯管壁移動一定長度。撳動壓力釋放後,彈簧恢復原位,鉛芯被鎖緊箍和卡頭自動鎖緊定位,完成一次脈動出芯過程。依此往複即可連續脈動出芯。（源自「搜狗百科」：自動鉛筆 - 搜狗百科）

三、右手剪刀

注意，寫的是右手剪刀。作為一個左利手星人，平生最不喜歡的就是這個工具。

剪刀採用了費力槓桿的原理，以轉軸為支點，施力者著手點為短壁，距離支點較近；受力物的吃力點為剪刀前端，距離支點較遠。在剪刀工作的剪切過程中，一片刀刃相對另一片做相對運動，並且由支點開始，兩片刀刃逐漸貼合，切口為斜面，使得切口與物品接觸面積小，減少阻力，並生成較大壓強，使得剪切物品較為省力。

此處，需要注意：如果使用右手，剪切過程中，拇指和剩餘四隻併攏，刀刃貼合，完美！但是，如果是用左手完成剪切功能，手指必須像相反的方向運動，才能完成刀刃的閉合，非常費力。這也是為什麼左利手星人很不喜歡這個工具。

同樣原理的，還有下面這個手工推子，左利手星人也很不喜歡：

四、手工風箱

這個物品，已經退出人們生活很多年了，即使在農村也看不到了。

工作原理：前後各留進風口，拉和推動手柄，均能形成進風和出風通道。推和拉過程中，前後風口工作均不同。推的時候，推後前擋風口打開，後擋風板關閉，風道風舌後開前閉，拉則相反。

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圓珠筆的自動伸縮機構。

（a）

看到這個提問後，腦子裡第一個浮現的就是圓珠筆自動伸縮結構，從小到大一直很好奇這個結構，簡單巧妙。

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

該結構分為上下兩個轉輪和筆管內壁的卡槽。

（b）上下兩個轉輪，紅色為上轉輪，手指摁壓的地方，黃色為下轉輪，頂著筆芯。

（c）筆管內壁卡槽

過程一，開始，筆芯未露出筆口，黃色轉輪頂在卡槽最上面。手指往下摁壓轉輪直至黃色轉輪退出卡槽的時候，黃色轉輪左轉一定角度，鬆開手指，此時黃色轉輪凸出的地方頂在卡槽最下方，完成筆芯的伸長。

過程二，鬆開的手指再次摁壓轉輪，黃色轉輪左轉一定角度，此時黃色轉輪凸出的地方，恰好對著卡槽的縫，鬆開手指，黃色轉輪在彈簧彈力的作用下，順著縫，運動到卡槽最上面，完成筆芯的收縮。

（d）自動伸縮過程

讀到這裡，相信大家有疑問，為什麼每次往下摁壓黃色轉輪的時候，它會向左移動，而不是向右或者原地不動。

原因在於紅色轉輪和黃色轉輪的齒的耦合。

紅色轉輪齒的形狀為三角形，而黃色轉輪的齒為鋸齒。兩個齒面接觸的時候，受力示意圖如下:

（e）

往下摁壓的時候，壓力可分解為豎直方向和水平方向的力，而水平方向的力使得物體向一定的方向轉動。圖片來源:

圖（a）,（b）,（c）,（d）http://tieba.baidu.com/p/2488262960?pn=0

圖（e）http://wk.baidu.com/view/c8bce331a32d7375a41780a1?pcf=2#1

現在手機里的那個加速度計晶元，對，就是可以探測屏幕朝向的那個東西，我聽說這東西存在以後一直很疑惑，測量加速度需要可以擺動的重物啊，晶元里都是半導體，咋測的…………？

疑惑了好多年之後有次不小心看到了晶元的顯微影像……………………

尼瑪真有個重物…………感覺好重的樣子……………… 還有彈簧…………………………………… 注意看底下的比例尺…… 圖片來源： Looking inside the Hi Technic NXT Accelerometer for LEGO還有陀螺儀也一樣………………

圖片來自 iFixit~ iPhone 4 Gyroscope Teardown

馬自達轉子發動機

不知哪位高人在N年前就說過

馬自達這個車企前進的最大驅動力就是轉子發動機，賣車賺的錢大部分都用來研究轉子發動機了。錢花完了就弄兩個新車上市圈一波錢回頭繼續研究轉子發動機。

普通發動機都是做往複式活塞運動，轉子發動機卻是用一個類似三角形的轉子做旋轉運動來壓縮和排放。

動圖鏈接http://photocdn.sohu.com/20150819/mp28223032_1439957512167_16.gif

三角轉子的中心繞輸出軸中心公轉的同時，三角轉子本身又繞其中心自轉，輸出軸的轉速可以達到轉子轉速的3倍，而普通發動機曲軸和活塞只能保持1:1的運動。也就是說轉子轉一圈發動機就對外做功3次，而活塞發動機的4衝程導致它轉兩圈才能做功1次。

因此轉子發動機的馬力容積比要大大優於活塞發動機。再加上整個發動機可以只轉動兩個部件就能運轉，轉子發動機便可以做得更小更輕，同時還能做到低重心低震動。

不過缺點也很讓人頭疼，由於壓縮比上不去，導致油耗高，排污嚴重，磨損也很厲害。目前僅有馬自達一家車企還在研發製造轉子發動機，其他車企覺得雞肋老早就已經放棄了，所以沒什麼行業標準可言，維修自然也不便利。

我國80年代，各種機械計算機都採用鍵盤置數的辦法。鍵盤式計算機在進行除法運算時，要注意聽信號鈴聲，當減去除數的次數過頭時，就會響鈴，提醒操作都將多減的次數補回來。德國人加門開始在鍵盤置數的計算機中，採用「比例槓桿原理」，計算機操作時雜訊小，而且在作除法時不用去注意鈴響了。這種計算機逐漸成為流傳很廣的一種機械計算機。

最早荷蘭飛利浦公司製造的一種二進位手搖計算機一般只能做四則運算，平方數，立方數、開平方，開立方，如果需要輸入三角函數和對數，都需要查表。如果計算中有括弧，麻煩極了。使用中的正搖幾圈，反搖幾圈，還要用紙筆記錄。

手搖計算機的價格按照時價計算，價格不菲。現在有了價廉物美的計算器，沒有人再用手搖計算機了，更不用說現在電腦的普及了。過去只有單位才有，一般人還買不起，如果現在誰手頭有手搖計算機，可以當作收藏品。

我在小學時有幸親手虐待過這傢伙，爸爸是做預算的，辦公室里有一台，當時當玩具對待，日後懂事後覺得那東西好酷，比起後來他們500多塊買的卡西歐計算器牛逼多了，那可是八十年代初呀。

機械有美感，大家一看就會覺得

哇(⊙o⊙)哇(⊙o⊙)哇(⊙o⊙)哇(⊙o⊙)哇

好精妙

其實來說，就像是說螺栓那個，稀鬆平常的小螺絲的設計也不是學完高等數學工程力學材料力學材料力學性能材料塑型變形原理鋼的熱處理材料科學基礎材料成型技術等等就能

我行

的

其實當你看到例如變速箱的殼體之類的十分複雜亦或是難度大的鑄件破土或破殼而出時，對一個工藝設計人員來說的感覺不亞於自己孩子出生時的感覺

補充幾句

老百姓對鑄造的認識等同於叫老百姓知法懂法一樣，鑄造相對惡劣的環境也很難很好的宣傳。但沒有鑄造以及無數鑄造行業工作者的奉獻，不負責任的說，樓上的所有玩意，都是扯淡。

說話不負責

不要打死我

小時候家裡那台腳踩的舊縫紉機

二衝程發動機

地球上最簡單的內燃機，明白他的運行循環後，不得不讚歎，發明這個機器的人真是太聰明了。

內燃機最關鍵的是配氣系統，二衝程發動機僅用開在缸壁上高低不同的孔，就實現了四衝程發動機極為繁瑣的配氣機構

四衝程配氣:曲軸要帶著正時鏈條或皮帶，鏈條要帶著凸輪軸，凸輪軸要壓著氣門搖臂，搖臂要壓著氣門和墊片，氣門要有彈簧。這個機構里鏈條會松，皮帶會斷，凸輪軸會磨損，搖臂軸承會曠動，氣門間隙要調，緊了難啟動，鬆了噪音大，然後容納這些東西，需要一個體積很大的缸頭，而且這些東西都需要潤滑，需要設計油道把機油從油底殼引上來。四衝程的配氣設計思想是，需要什麼就設計什麼，結構複雜，體積大功率低。

二衝程配氣:前後高低不同的兩個孔，分別管進氣和排氣，利用活塞壓動，擠出廢氣，吸進新氣，同時活塞上下運行時裙部封住或露出進排氣口。完成進排氣循環。體積小重量輕。有興趣的可以搜索一下這兩種機器的動圖。

不請自來…………

啤酒飲料是很常見的快消品，很多人可能覺得沒什麼科技含量。但是目前啤酒飲料的生產線絕對震撼很多行業外的人。

以我們公司製造的最快的易拉罐啤酒線為例。

**每小時產量產量40噸！很多人一輩子也喝不了那麼多。

**每小時12萬罐！一眨眼功夫就是幾十罐。

**在線檢測機要為每個罐子拍張照片，並且要踢出其中的次品！

**包裝機速度想對慢一點，也可以做到一分鐘包75個紙箱！

**飲料生產線的吹瓶機，每小時可以製造81000個500ml的瓶子。

如今各行各業都已經高度專業化，即使是生活中最常見的物品的生產過程都可能是超乎想像的。

鴨嘴筆吧，帶一個小盒子的那種

關於鄭擊波的回答，剛好本人是從事可靠性這方面研究的。

提一些回答中不足的地方。

1.航空發動機和汽車變速箱的設計製造，從設計到難度可以說差數量級。兩者在技術上真心無法相提並論；

2.關於螺紋防松可靠性，本人自認為還是有點研究：

上圖是叫雙疊自鎖墊片。最早是上個世紀70年代初美軍陸軍產品，後來歐洲人用於民用。符合標準為DIN25201（德國鐵路機車緊固標準）屬於楔形防松技術。別看簡單，具有很高的製造技術含量。是個細分市場，不是一般企業能夠做的了的。一直為瑞典公司nordlock壟斷了20年。這個產品中國製造還是可以有點自豪的地方。我在歐洲的幾個知名的客戶（BP，西門子）那裡見過廣州一個公司的產品solid-lock（中文名字我不知道），內部測試，在防松花紋設計，表面處理和防腐蝕性能比nordlock更好。其他指標和nordlock一樣。這個公司很低調，國內基本沒有名氣。其實算是細分市場龍頭，主要產品都出口了，聽說最近國內有些關鍵部門，如鐵路和地鐵現在也逐漸用開他們的產品。其他的製造商（包括所謂的Heico-disk）就真的只能呵呵了。山寨產品樣子都沒有做好，材料也選錯了。其他技術方面一問三不知。

講開點，國內工程界有個非常不好的習慣，就是什麼事情都講成本。完全沒有工程素養。工程上，必須滿足工程需求後才講成本。不講性能講成本就是耍流氓。很多企業都缺乏真正科班出身的設計師和工程師。很多都是土炮。出點歪點子可以，上升到系統就抓瞎。製造個設備出來，到處滴漏跑冒。這個產品也是一樣。山寨廠一般什麼都做，專業廠家只做一個產品。更有甚者，客戶在問價時，還問需不需要帶nordlock或者solid-lock的包裝。別的產品無所謂，這種產品，本人的建議還是直接和可靠的廠家做放心點。

3.講回來，

這個測試和航空器有關，測試標準為DIN65151，（航空器緊固件測試標準）。是目前市面上最嚴苛的緊固件測試。國內基本沒有相關研究。測試機台不多，好像只有航空航天部有一台，一機部有一台。但都是上個世紀8090年代的產品。國內所謂的機台勸大家就別試了，除了浪費錢，沒有用。因為這個市場本來就是個細分市場，全球需求量不會超過100台。已經有3家歐洲公司分了幾十年的肉了。中國的這種檢測設備基本靠進口。沒有辦法，前期基礎積累太差。而且這個本身也是需要投入的。

3.再講講，螺紋聯接。螺紋聯接實際上是個簡化的槓桿。最大的好處是拆裝容易。弊端就是容易鬆動。特別是在振動的情況下。剪切振動是最糟糕的受力狀態。所以上面的測試是最能夠說明問題的。螺紋聯接，不僅僅需要剛性，還需要柔性。一般的標準預緊力矩在極限值的65%左右。所以在很多情況下，我們需要螺紋聯接有良好的表現，需要a.潤滑劑，b.扭力扳手。確保螺紋聯接正確。但實際情況是，施工單位為了省錢，不用潤滑劑或者少用。請農民工（對農民工表示尊敬）用扳手直接預緊，有多緊上多緊。這樣反倒降低了螺紋副的防振動和衝擊能力。試想一下，一個工程，無論是石化還是鐵路，幾百萬個螺紋副聯接狀態都不穩定，不標準。這個系統的可靠性，你能夠指望？為什麼中國那麼豆腐渣？這還真是個小事。小事國內的工程管理都做不好，大事就真呵呵了。想想看吧，一帶一路的項目價格只有日本公司的三分之一，人家還挑三揀四的。憑什麼？為什麼我們的大飛機搞了幾十年，系統基本上還是國外的？

4.再講講扭矩和軸向夾緊力的關係。這個在教科書上有講，是正比關係。這個剛性係數是多少？理論值和螺紋副的實際接觸面積，接觸面的摩擦係數，還有螺紋端面的摩擦係數有關。很複雜的一個函數。而且基本是沒有辦法測出來的。這個對設計意義很大，因為直接關係到安全係數。設計的時候只關心軸向夾緊力，而施工時只可能用預緊扭矩。國外的研究就很簡單，直接用上面的DIN65151的測試儀器，一直扭斷，然後測出這個係數。有意思的是，這個係數變化很大。同樣的標準螺栓，螺母不同廠家，甚至相同廠家，不同批次都有很大的差別。

5.再講為什麼我們的基礎研究那麼差。個人感覺還是一個激勵機制問題。國人不重視知識產權。老是想占人家便宜。問過幾個高端產品廠家，為什麼不在國內銷售，市場潛力應該比國外還大。幾乎一致的回復幾乎都是，客戶連產品都不熟，國內的買家是拿山寨貨的價格和你講價格。除了價格，別的都不關心。這樣的客戶群根本就不太值得用這個產品。出口雖然麻煩，只要熬過了前期的驗證期，你產品的價值就會得到尊重。雖然有些偏激，也的確反應了國內高端製造業的尷尬。可以這麼說，高端製造業基本都是建立在基礎研究上的。基礎研究不透徹，可以說高端製造是無源之水。而高端製造業無法得到利潤，反哺基礎研究。於是關鍵器件基本靠進口，過去是，現在是，將來很長一定時間內可預期的還是。

我覺得這個問題的答案不應該是泛半導體領域的終端產品（IC FPD LED 硬碟內存 MEMS等等）。因為類似產品都只是勝在工藝精度，巧在設計，而不是勝在機械結構。如果非要在半導體行業中舉例子，也應該是曝光機，IMP，DE等生產設備。這些設備才是用機械原理達到了半導體級精度要求的了不起的產品，但是又不符合題目要求的「日常生活中」。

怎麼沒人提抽水馬桶呢。通過一個浮球和一個連接桿，徹底解決了馬桶水箱的進水及進水停止問題。

CNC 吧，依託程序的指揮，能把一坨坨各種金屬疙瘩切削成「奇形怪狀」的精密零件。

謝謝發明這個的人，讓我的幸福感又加一了圖片來源見水印侵刪