一.什么是微型機械加工

微型機械加工或稱(chēng)微型機電系統或微型系統是只可以批量制作的,集微型機構,微型傳感器,微型執行器以及信號處理和控制電路.甚至外圍接口.通訊電路和電源等于一體的微型器件或系統.其主要特點(diǎn)有:體積小(特征尺寸范圍為:1μm-10mm).重量輕.耗能低.性能穩定,有利于大批量生產(chǎn).降低生產(chǎn)成本,慣性小.諧振頻率高.響應時(shí)間短,集約高技術(shù)成果.附加值高.微型機械的目的不僅僅在于縮小尺寸和體積.其目標更在于通過(guò)微型化.集成化.來(lái)搜索新原理.新功能的元件和系統.開(kāi)辟一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域.形成批量化產(chǎn)業(yè). 微型機械加工技術(shù)是指制作為機械裝置的微細加工技術(shù).微細加工的出現和發(fā)展早是與大規模集成電路密切相關(guān)的.集成電路要求在微小面積的半導體上能容納更多的電子元件.以形成功能復雜而完善的電路.電路微細圖案中的最小線(xiàn)條寬度是提高集成電路集成度的關(guān)鍵技術(shù)標志.微細加工對微電子工業(yè)而言就是一種加工尺度從微米到納米量級的制造微小尺寸元器件或薄模圖形的先進(jìn)制造技術(shù).目前微型加工技術(shù)主要有基于從半導體集成電路微細加工工藝中發(fā)展起來(lái)的硅平面加工和體加工工藝.上世紀八十年代中期以后在LIGA加工(微型鑄模電鍍工藝).準LIGA加工.超微細加工.微細電火花加工(EDM).等離子束加工.電子束加工.快速原型制造(RPM)以及鍵合技術(shù)等微細加工工藝方面取得相當大的進(jìn)展. 微型機械系統可以完成大型機電系統所不能完成的任務(wù).微型機械與電子技術(shù)緊密結合.將使種類(lèi)繁多的微型器件問(wèn)世.這些微器件采用大批量集成制造.價(jià)格低廉.將廣泛地應用于人類(lèi)生活眾多領(lǐng)域.可以預料.在本世紀內.微型機械將逐步從實(shí)驗室走向適用化.對工農業(yè).信息.環(huán)境.生物醫療.空間.國防等領(lǐng)域的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響.微細機械加工技術(shù)是微型機械技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)非常重要而又非?；钴S的技術(shù)領(lǐng)域.其發(fā)展不僅可帶動(dòng)許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展.更是與國家科技發(fā)展.經(jīng)濟和國防建設息息相關(guān).微型機械加工技術(shù)的發(fā)展有著(zhù)巨大的產(chǎn)業(yè)化應用前景。

二，國外發(fā)展現狀 

   1959年.RichardPFeynman(1965年諾貝爾物理獎獲得者)就提出了微型機械的設想. 

   1962年第一個(gè)硅微型壓力傳感器問(wèn)世.氣候開(kāi)發(fā)出尺寸為50-500μm的齒輪.齒輪泵.氣動(dòng)渦輪及聯(lián)接件等微機械.

   1965年.斯坦福大學(xué)研制出硅腦電極探針.后來(lái)又在掃描隧道顯微鏡.微型傳感器方面取得成功.

   1987年美國加州大學(xué)伯克利分校研制出轉子直徑為60-12μm的利用硅微型靜電機.顯示出利用硅微加工工藝制造小可動(dòng)結構并與集成電路兼容以制造微小系統的潛力. 

   微型機械在國外已受到政府部門(mén).企業(yè)界.高等學(xué)校與研究機構的高度重視.美國MIT.Berkeley.StanfordAT&T和的15名科學(xué)家在上世紀八十年代末提出"小機器.大機遇:關(guān)于新興領(lǐng)域--微動(dòng)力學(xué)的報告"的國家建議書(shū).聲稱(chēng)"由于微動(dòng)力學(xué)(微系統)在美國的緊迫性.應在這樣一個(gè)新的重要技術(shù)領(lǐng)域與其他國家的競爭中走在前面".建議中央財政預支費用為五年5000萬(wàn)美元.得到美國領(lǐng)導機構重視.連續大力投資.并把航空航天.信息和MEMS作為科技發(fā)展的三大重點(diǎn).美國宇航局投資1億美元著(zhù)手研制"發(fā)現號微型衛星".美國國家科學(xué)基金會(huì )把MEMS作為一個(gè)新崛起的研究領(lǐng)域制定了資助微型電子機械系統的研究的計劃.從1998年開(kāi)始.資助MIT.加州大學(xué)等8所大學(xué)和貝爾實(shí)驗室從事這一領(lǐng)域的研究與開(kāi)發(fā).年資助額從100萬(wàn).200萬(wàn)加到1993年的500萬(wàn)美元.1994年發(fā)布的<美國國防部技術(shù)計劃>報告.把MEMS列為關(guān)鍵技術(shù)項目.美國國防部高級研究計劃局積極領(lǐng)導和支持MEMS的研究和軍事應用.現已建成一條MEMS標準工藝線(xiàn)以促進(jìn)新型元件/裝置的研究與開(kāi)發(fā).美國工業(yè)主要致力于傳感器.位移傳感器.應變儀和加速度表等傳感器有關(guān)領(lǐng)域的研究.很多機構參加了微型機械系統的研究.如康奈爾大學(xué).斯坦福大學(xué).加州大學(xué)伯克利分校.密執安大學(xué).威斯康星大學(xué).老倫茲得莫爾國家研究等.加州大學(xué)伯克利傳感器和執行器中心(BSAC)得到國防部和十幾家公司資助1500萬(wàn)元后.建立了1115m2研究開(kāi)發(fā)MEMS的超凈實(shí)驗室. 日本通產(chǎn)省1991年開(kāi)始啟動(dòng)一項為期10年.耗資250億日元的微型大型研究計劃.研制兩臺樣機.一臺用于醫療.進(jìn)入人體進(jìn)行診斷和微型手術(shù).另一臺用于工業(yè).對飛機發(fā)動(dòng)機和原子能設備的微小裂紋實(shí)施維修.該計劃有筑波大學(xué).東京工業(yè)大學(xué).東北大學(xué).早稻田大學(xué)和富士通研究所等幾十家單位參加. 歐洲工業(yè)發(fā)達國家也相繼對微型系統的研究開(kāi)發(fā)進(jìn)行了重點(diǎn)投資.德國自1988年開(kāi)始微加工十年計劃項目.其科技部于1990-1993年撥款4萬(wàn)馬克支持"微系統計劃"研究.并把微系統列為本世紀初科技發(fā)展的重點(diǎn).德國首創(chuàng )的LIGA工藝.為MEMS的發(fā)展提供了新的技術(shù)手段.并已成為三維結構制作的優(yōu)選工藝.法國1993年啟動(dòng)的7000萬(wàn)法郎的"微系統與技術(shù)"項目.歐共體組成"多功能微系統研究網(wǎng)絡(luò )NEXUS".聯(lián)合協(xié)調46個(gè)研究所的研究.瑞士在其傳統的鐘表制造行業(yè)和小型精密機械工業(yè)的基礎上也投入了MEMS的開(kāi)發(fā)工作.1992年投資為1000萬(wàn)美元.英國政府也制訂了納米科學(xué)計劃.在機械.光學(xué).電子學(xué)等領(lǐng)域列出8個(gè)項目進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā).為了加強歐洲開(kāi)發(fā)MEMS的力量.一些歐洲公司已組成MEMS開(kāi)發(fā)集團. 目前已有大量的微型機械或微型系統被研究出來(lái).例如:尖端直徑為5&mu;m的微型鑷子可以?shī)A起一個(gè)紅血球.尺寸為7mm&times;7mm&times;2mm的微型泵流量可達250&mu;l/min能開(kāi)動(dòng)的汽車(chē).在磁場(chǎng)中飛行的機器蝴蝶.以及集微型速度計.微型陀螺和信號處理系統為一體的微型慣性組合(MIMU).德國創(chuàng )造了LIGA工藝.制成了懸臂梁.執行機構以及微型泵.微型噴嘴.濕度.流量傳感器以及多種光學(xué)器件.美國加州理工學(xué)院在飛機翼面粘上相當數量的1mm的微梁.控制其彎曲角度以影響飛機的空氣動(dòng)力學(xué)特性.美國大批量生產(chǎn)的硅加速度計把微型傳感器(機械部分)和集成電路(電信號源.放大器.信號處理和正檢正電路等)一起集成在硅片上3mm&times;3mm的范圍內.日本研制的數厘米見(jiàn)方的微型車(chē)床可加工精度達1.5&mu;m的微細軸.                                            

三，國內現狀 

   我國在科技部.國家自然基金委.教育部和總裝備部的資助下.一直在跟蹤國外的微型機械研究.積極開(kāi)展MEMS的研究.現有的微電子設備和同步加速器為微系統提供了基本條件.微細驅動(dòng)器和微型機器人的開(kāi)發(fā)早已列入國家863高技術(shù)計劃及攀登計劃B中.已有近40個(gè)研究小組.取得了以下一些研究成果.廣東工業(yè)大學(xué)與日本筑波大學(xué)合作.開(kāi)展了生物和醫用微型機器人的研究.已研制出一維.二維聯(lián)動(dòng)壓電陶瓷驅動(dòng)器.其位移范圍為10&mu;m&times;10&mu;m,位移分辨率為0.01&mu;m.精度為0.1&mu;m.正在研制6自由度微型機器人,長(cháng)春光學(xué)精密機器研究所研制出直徑為&Phi;3mm的壓電電機.電磁電機.微測試儀器和微操作系統.上海冶金研究所研制出了微電機.多晶硅梁結構.微泵與閥.上海交通大學(xué)研制出&Phi;2mm的電磁電機.南開(kāi)大學(xué)開(kāi)展了微型機器人控制技術(shù)的研究等. 我國有很多機構對多種微型機械加工的方法開(kāi)展了相應的研究.已奠定了一定的加工基礎.能進(jìn)行硅平面加工和體硅加工.LIGA加工.微細電火花加工及立體光刻造型法加工等.

四，技術(shù)發(fā)展趨勢 

  微型機械加工技術(shù)的發(fā)展剛剛經(jīng)歷了十幾年.在加工技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)發(fā)展了一批微小器件和系統.顯示了巨大生命力.作為大批量生產(chǎn)的微型機械產(chǎn)品.將以其價(jià)格低廉和優(yōu)良性能贏(yíng)得市場(chǎng).在生物工程.化學(xué).微分析.光學(xué).國防.航天.工業(yè)控制.醫療.通訊及信息處理.農業(yè)和家庭服務(wù)等領(lǐng)域有著(zhù)潛在的巨大應用前景.當前.作為大批量生產(chǎn)的微型機械產(chǎn)品如微型壓力傳感器.微細加速度計和噴墨打印頭已經(jīng)占領(lǐng)了巨大市場(chǎng).目前市場(chǎng)上以流體調節與控制的微機電系統為主.其次為壓力傳感器和慣性傳感器.1995年全球微型機械的銷(xiāo)售額為15億美元.有人預計到2002年.相關(guān)產(chǎn)品值將達到400億美元.顯然微型機械及其加工技術(shù)有著(zhù)巨大的市場(chǎng)和經(jīng)濟效益. 微型機械是一門(mén)交叉科學(xué).和它相關(guān)的每一技術(shù)的發(fā)展都會(huì )促使微型機械的發(fā)展.隨著(zhù)微電子學(xué).材料學(xué).信息學(xué)等的不斷發(fā)展.微型機械具備了更好的發(fā)展基礎.由于其巨大的應用前景和經(jīng)濟效益以及政府.企業(yè)的重視.微型機械發(fā)展必將有更大的飛躍.新原理.新功能.新結構體系的微傳感器.微執行器和系統將不斷出現.并可嵌入大的機械設備.提高自動(dòng)化和智能水平. 微型機械加工技術(shù)作為微型機械的最關(guān)鍵技術(shù).也必將有一個(gè)大的發(fā)展.硅加工.LIGA加工和準LIGA加工正向著(zhù)更復雜.更高深度適合各種要求的材料特性和表面特性的微結構以及制作不同材料特別是功能材料微結構.更易于與電路集成的方向發(fā)展.多種加工技術(shù)結合也是其重要方向.微型機械在設計方面正向著(zhù)進(jìn)行結構和工藝設計的同時(shí)實(shí)現器件和系統的特性分析和評價(jià)的設計系統的實(shí)現方向發(fā)展.引入虛擬現實(shí)技術(shù). 我國在微型加工技術(shù)發(fā)展的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域是生物學(xué).環(huán)境監控.航空航天.工業(yè)與國防等領(lǐng)域.建設好幾個(gè)有世界先進(jìn)水平的微型機械研究開(kāi)發(fā)基地.同時(shí)亦重視微觀(guān)尺度上的新物理現象和新效應的研究.加速我國微型機械的研究與開(kāi)發(fā).迎接二十一世紀技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命的挑戰.

五，關(guān)鍵技術(shù) 

  微型機械是一個(gè)新興的.多學(xué)科交叉的高科技領(lǐng)域.面臨許多課題.涉及許多關(guān)鍵技術(shù). 當一個(gè)系統的特征尺寸達到微米級和納米級時(shí).將會(huì )產(chǎn)生許多新的科學(xué)問(wèn)題.例如隨著(zhù)尺寸的減少.表面積與體積之比增加.表面力學(xué).表面物理效應將起主導作用.傳統的設計和分析方法將不再適用.為摩擦學(xué).微熱力這等問(wèn)題在微系統中將至關(guān)重要.微系統尺度效應研究將有助于微系統的創(chuàng )新. 微型機械不是傳統機械直接微型化.它遠超出了傳統機械的概念和范疇.微型機械在尺度效應.結構.材料.制造方法和工作原理等方面.都與傳統機械截然不同.微系統的尺度效應.物理特性研究.設計.制造和測試研究是微系統領(lǐng)域的重要研究?jì)热? 在微系統的研究工作方面.一些國內外研究機構已在微小型化尺寸效應.微細加工工藝.微型機械材料和微型結構件.微型傳感器.微型執行器.微型機構測量技術(shù).微量流體控制和微系統集成控制以及應用等方面取得不同程度的階段性成果.微型機械加工技術(shù)是微型機械發(fā)展的關(guān)鍵基礎技術(shù).其中包括微型機械設計微細加工技術(shù).微型機械組裝和封裝技術(shù).為系統的表征和測量技術(shù)及微系統集成技術(shù).

六，前沿關(guān)鍵技術(shù) 

    1.微系統設計技術(shù) 主要是微結構設計數據庫.有限元和邊界分析.CAD/CAM仿真和擬實(shí)技術(shù).微系統建模等.微小型化的尺寸效應和微小型理論基礎研究也是設計研究不可缺少的課題.如:力的尺寸效應.微結構表面效應.微觀(guān)摩擦機理.熱傳導.誤差效應和微構件材料性能等. 

    2.微細加工技術(shù) 主要指高深度比多層微結構的硅表面加工和體加工技術(shù).利用X射線(xiàn)光刻.電鑄的LIGA和利用紫外線(xiàn)的準LIGA加工技術(shù),微結構特種精密加工技術(shù)包括微火花加工.能束加工.立體光刻成形加工,特殊材料特別是功能材料微結構的加工技術(shù),多種加工方法的結合,微系統的集成技術(shù),微細加工新工藝探索等.

    3.微型機械組裝和封裝技術(shù) 主要指沾接材料的粘接.硅玻璃靜電封接.硅硅鍵合技術(shù)和自對準組裝技術(shù).具有三維可動(dòng)部件的封裝技術(shù).真空封裝技術(shù)等新封裝技術(shù)的探索.

    4.微系統的表征和測試技術(shù) 主要有結構材料特性測試技術(shù).微小力學(xué).電學(xué)等物理量的測量技術(shù).微型器件和微型系統性能的表征和測試技術(shù).微型系統動(dòng)態(tài)特性測試技術(shù).微型器件和微型系統可靠性的測量與評價(jià)技術(shù).

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