微型機械加工技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

王敬月 馬雪偉

一、微型機械加工技術概念

微型機械加工或稱微型機電系統(tǒng)或微型系統(tǒng)是只可以批量制作的、集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)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(tǒng)。其主要特點有：體積?。ㄌ卣鞒叽绶秶鸀椋? m-10mm）、重量輕、耗能低、性能穩(wěn)定；有利于大批量生產，降低生產成本；慣性小、諧振頻率高、響應時間短；集約高技術成果，附加值高。微型機械的目的不僅僅在于縮小尺寸和體積，其目標更在于通過微型化、集成化、來搜索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，開辟一個新技術領域，形成批量化產業(yè)。

微型機械加工技術是指制作為機械裝置的微細加工技術。微細加工的出現(xiàn)和發(fā)展早是與大規(guī)模集成電路密切相關的，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條寬度是提高集成電路集成度的關鍵技術標志，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制造技術。目前微型加工技術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）以及鍵合技術等微細加工工藝方面取得相當大的進展。

微型機械系統(tǒng)可以完成大型機電系統(tǒng)所不能完成的任務。微型機械與電子技術緊密結合，將使種類繁多的微型器件問世，這些微器件采用大批量集成制造，價格低廉，將廣泛地應用于人類生活眾多領域?？梢灶A料，在本世紀內，微型機械將逐步從實驗室走向適用化，對工農業(yè)、信息、環(huán)境、生物醫(yī)療、空間、國防等領域的發(fā)展將產生重大影響。微細機械加工技術是微型機械技術領域的一個非常重要而又非?；钴S的技術領域，其發(fā)展不僅可帶動許多相關學科的發(fā)展，更是與國家科技發(fā)展、經濟和國防建設息息相關。微型機械加工技術的發(fā)展有著巨大的產業(yè)化應用前景。

二、微型機械加工技術的國外發(fā)展現(xiàn)狀

1959年，Richard P Feynman（1965年諾貝爾物理獎獲得者）就提出了微型機械的設想。1962年第一個硅微型壓力傳感器問世，氣候開發(fā)出尺寸為50～500 m的齒輪、齒輪泵、氣動渦輪及聯(lián)接件等微機械。1965年，斯坦福大學研制出硅腦電極探針，后來又在掃描隧道顯微鏡、微型傳感器方面取得成功。1987年美國加州大學伯克利分校研制出轉子直徑為60～12 m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結構并與集成電路兼容以制造微小系統(tǒng)的潛力。

美國MIT、Berkeley、StanfordAT&T和的15名科學家在上世紀八十年代末提出“小機器、大機遇：關于新興領域——微動力學的報告”的國家建議書，聲稱“由于微動力學（微系統(tǒng)）在美國的緊迫性，應在這樣一個新的重要技術領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5000萬美元，得到美國領導機構重視，連續(xù)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。美國宇航局投資1億美元著手研制“發(fā)現(xiàn)號微型衛(wèi)星”，美國國家科學基金會把MEMS作為一個新崛起的研究領域制定了資助微型電子機械系統(tǒng)的研究的計劃，從1998年開始，資助MIT，加州大學等8所大學和貝爾實驗室從事這一領域的研究與開發(fā)，年資助額從100 萬、200萬加到1993年的500萬美元。1994年發(fā)布的《美國國防部技術計劃》報告，把MEMS列為關鍵技術項目。美國國防部高級研究計劃局積極領導和支持MEMS的研究和軍事應用，現(xiàn)已建成一條MEMS標準工藝線以促進新型元件/裝置的研究與開發(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領域的研究。很多機構參加了微型機械系統(tǒng)的研究，如康奈爾大學、斯坦福大學、加州大學伯克利分校、密執(zhí)安大學、威斯康星大學、老倫茲得莫爾國家研究等。加州大學伯克利傳感器和執(zhí)行器中心（BSAC）得到國防部和十幾家公司資助1500萬元后，建立了1115m2研究開發(fā)MEMS的超凈實驗室。

日本通產省1991年開始啟動一項為期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(yī)療、進入人體進行診斷和微型手術，另一臺用于工業(yè)，對飛機發(fā)動機和原子能設備的微小裂紋實施維修。該計劃有筑波大學、東京工業(yè)大學、東北大學、早稻田大學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(tǒng)的研究開發(fā)進行了重點投資，德國自1988年開始微加工十年計劃項目，其科技部于1990～1993年撥款4萬馬克支持“微系統(tǒng)計劃”研究，并把微系統(tǒng)列為本世紀初科技發(fā)展的重點，德國首創(chuàng)的LIGA工藝，為MEMS的發(fā)展提供了新的技術手段，并已成為三維結構制作的優(yōu)選工藝。法國1993年啟動的7000萬法郎的“微系統(tǒng)與技術”項目。歐共體組成“多功能微系統(tǒng)研究網(wǎng)絡NEXUS”，聯(lián)合協(xié)調46個研究所的研究。瑞士在其傳統(tǒng)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的開發(fā)工作，1992年投資為1000萬美元。英國政府也制訂了納米科學計劃。在機械、光學、電子學等領域列出8個項目進行研究與開發(fā)。為了加強歐洲開發(fā)MEMS的力量，一些歐洲公司已組成MEMS開發(fā)集團。

目前已有大量的微型機械或微型系統(tǒng)被研究出來，例如：尖端直徑為5 m的微型鑷子可以夾起一個紅血球，尺寸為7mm?mm?mm的微型泵流量可達250 l/min能開動的汽車，在磁場中飛行的機器蝴蝶，以及集微型速度計、微型陀螺和信號處理系統(tǒng)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(zhí)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器件。美國加州理工學院在飛機翼面粘上相當數(shù)量的1mm的微梁，控制其彎曲角度以影響飛機的空氣動力學特性。美國大批量生產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?mm的范圍內。日本研制的數(shù)厘米見方的微型車床可加工精度達1.5 m的微細軸。

（責任編輯 若 曦）