微成形技術(shù)的研究概述

【摘要】本文簡要介紹了硅基微加工技術(shù)、LIGA技術(shù)、超精密機(jī)械加工技術(shù)、微注射成形技術(shù)、微鑄造成形技術(shù)五種微成型加工技術(shù)，對其最新研究成果做出了總結(jié)，并對微成型技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】微成形技術(shù)；展望

1.引言

二十年來微型機(jī)電系統(tǒng)有了飛速的發(fā)展，而微成形技術(shù)是微型機(jī)電系統(tǒng)的靈魂，世界上各工業(yè)先進(jìn)國家對微機(jī)械的研究重點(diǎn)都放在了微成形技術(shù)的研發(fā)上。到目前為止，涌現(xiàn)出了多種成熟的微成形技術(shù)，如以美國為代表的硅基表面加工及體加工技術(shù)、以德國為代表LIGA技術(shù)和以日本為代表的超精密機(jī)械加工技術(shù)，此外還有高能束加工技術(shù)、微注塑成形技術(shù)、微粉末注射成形技術(shù)及微鑄造技術(shù)等一些方興未艾的微成形技術(shù)，下面就幾種常用的微成型技術(shù)進(jìn)行簡單介紹。

2.硅基微加工技術(shù)

硅基微加工技術(shù)由美國的科學(xué)家率先提出，是微電子技術(shù)飛速發(fā)展的延伸。硅基微加工技術(shù)目前主要有表面微機(jī)械加工和體微機(jī)械加工兩種方式。

硅基微加工技術(shù)首先是在硅基表面上沉積薄膜，再用光刻技術(shù)在薄膜上顯影出微結(jié)構(gòu)，最后用各種腐蝕工藝（等離子腐蝕、化學(xué)腐蝕等）去除掉多余的部分，從而得到預(yù)先想要的微結(jié)構(gòu)。Sandia國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的五層多晶硅表面犧牲層工藝代表了這一方向的最高水平。

體微機(jī)械加工技術(shù)是將整塊材料如單晶硅基片加工成微機(jī)械結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)工藝，即按照設(shè)計(jì)圖形在硅片上有選擇地去除一部分硅材料，形成微機(jī)械結(jié)構(gòu)。通常，微機(jī)械結(jié)構(gòu)的形成要經(jīng)歷選擇摻雜和結(jié)晶濕化學(xué)腐蝕兩道工序。和微電子生產(chǎn)中的亞微米光刻工藝比較，這些工藝尺度相對大而粗糙，線度變化在幾微米到幾百微米之間。體微加工技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括濕法刻蝕和干法刻蝕兩種方法。濕法刻蝕主要是根據(jù)材料的性能在刻蝕溶液中進(jìn)行；干法刻蝕主要是采用物理法（濺射、離子銑）和化學(xué)等離子刻蝕，適用于各向同性及各向異性刻蝕。體微機(jī)械加工的一個主要優(yōu)點(diǎn)是它可以相對容易地制造出大質(zhì)量的零部件，缺點(diǎn)是它很難制造精細(xì)靈敏的懸掛系統(tǒng)。另外，由于體微機(jī)械加工工藝無法做到零部件的平面化布局，因此它不能夠和微電子線路直接兼容。

復(fù)合微機(jī)械加工技術(shù)是體微機(jī)械加工技術(shù)和表面微機(jī)械加工技術(shù)的綜合。它是在體微機(jī)械加工技術(shù)和表面微機(jī)械加工技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興技術(shù)，具有體微機(jī)械加工技術(shù)和表面微機(jī)械加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時也避免了它們的缺點(diǎn)。

3.LIGA技術(shù)

起源于德國的LIGA技術(shù)被認(rèn)為是微型機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)中的極有發(fā)展前途的一種技術(shù)，受到各國的高度重視。LIGA是利用X射線深層光刻、電鑄成型和微復(fù)制三種工藝手段有機(jī)結(jié)合的一種技術(shù)，可在二維平面內(nèi)加工任意幾何形狀的微結(jié)構(gòu)，且適用于多種材料，加工精度高，是有望實(shí)現(xiàn)三維加工的技術(shù)[1]。LIGA技術(shù)制造的微結(jié)構(gòu)的高度可達(dá)數(shù)百微米，其深寬比可達(dá)100以上，而厚度只有2～3μm。同時在全高度內(nèi)的尺寸精度可控制在亞微米級。

由于LIGA技術(shù)需要掩模，其精確度和靈活性受到了限制。不同的圖形必須更換不同的掩模板，加工工藝不夠靈活，同時LIGA技術(shù)需要昂貴的同步輻射光源，使得成本較高，推廣困難。在此情況下，近年來發(fā)展了準(zhǔn)LIGA技術(shù)，即在微米級分辨率前提下，將常規(guī)的近紫外光和激光擴(kuò)展應(yīng)用到厚層光刻膠的成形，大大降低了加工設(shè)備的投資。采用UV-LIGA和LASER-LIGA工藝不需要制作X光掩模板，紫外和激光光源的經(jīng)濟(jì)性和使用的廣泛性又大大優(yōu)于同步輻射X光光源，從而可以大大降低LIGA工藝的制作成本，有利于廣泛使用。與LIGA技術(shù)相比，準(zhǔn)LIGA技術(shù)雖然能簡化操作、大大降低成本費(fèi)用，但卻是以犧牲高準(zhǔn)確度、大深寬比為代價的，因此準(zhǔn)LIGA技術(shù)只適用于對垂直度和深度要求不太高的微結(jié)構(gòu)的加工。

4.超精密機(jī)械加工技術(shù)

超精密加工技術(shù)是在六十年代初美國用單刃金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無氧銅開始的，而日本人最早提出將之應(yīng)用到微機(jī)械加工中，其思想是用大機(jī)器造小機(jī)器，再用小機(jī)器來制造微機(jī)器，然后用微機(jī)器來制造微機(jī)械用微構(gòu)件。超精密機(jī)械加工技術(shù)在多樣化材料加工方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，成為微米和中間尺度機(jī)械制造領(lǐng)域的一種重要的加工技術(shù)。

超精密機(jī)械加工技術(shù)中的常用刀具為單晶金剛石，其微小尺寸如圖1所示。目前，單晶金剛石超精密加工技術(shù)已成功應(yīng)用于隱形眼鏡、棱鏡、非球面透鏡、微透鏡陣列、金字塔微結(jié)構(gòu)表面、減反射光柵等結(jié)構(gòu)的加工。圖2所示即是用單晶金剛石車床加工的微結(jié)構(gòu)[3]。

在近十幾年內(nèi)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，超精密機(jī)床的一些關(guān)鍵技術(shù)，如控制技術(shù)、反饋系統(tǒng)、伺服驅(qū)動裝置等方面有了很大的進(jìn)步，提高了超精密機(jī)床的加工精度，目前，超精密加工已能夠直接加工出粗糙度達(dá)1nm的表面。

5.微注射成形技術(shù)

微注射成形技術(shù)按照使用材料對象可分為兩類，一類是以塑料為注射材料的微注塑成形技術(shù)，一類是以金屬粉末為注射材料的粉末微注射成形技術(shù)。

微注塑成形技術(shù)實(shí)際上就是傳統(tǒng)注塑技術(shù)的微型化，最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，主要應(yīng)用在手表和相機(jī)行業(yè)。德國注塑機(jī)制造巨頭Battenfeld公司制造了第一臺全電子驅(qū)動的注塑機(jī)Microsystem50，其適用于手表、微機(jī)電系統(tǒng)和生物機(jī)械制造業(yè)，成形塑件質(zhì)量小于0.1g，注射柱塞直徑只有5mm。德國亞琛理工大學(xué)的塑料加工學(xué)院）設(shè)計(jì)制造了一種新型微注塑成型概念機(jī)，注射量比Microsystem50更小，可小于0.01g[4]。微注塑成形技術(shù)方面我國與國外的還有很大的差距。

粉末微注射成形技術(shù)要求所用的材料為粉末狀，這就限制了其材料的種類，因?yàn)椴⒉皇撬械慕饘俣寄塬@得粉末，而且對金屬粉末的顆粒度也有要求，要盡可能得到細(xì)的顆粒。此外，微型模具的制造是該技術(shù)的關(guān)鍵，而為了獲得好的填充效果，也需對鑄型抽真空和預(yù)熱，這些都關(guān)系到能否獲得低表面粗糙度、小壁厚、形狀復(fù)雜的微構(gòu)件。

德國在粉末微注射成形方面進(jìn)行了相關(guān)的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性研究。美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的N.Koseski等研究了粉末粒度對粉末微注射成形產(chǎn)品的性能，尤其是表面粗糙度和結(jié)構(gòu)分辨度的影響。北京科技大學(xué)自行研制開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的適用于傳統(tǒng)注射成形機(jī)的粉末微注射成形用模具，同時以羰基鐵粉和鐵鎳合金粉為原料，在傳統(tǒng)注射成形機(jī)上成功實(shí)現(xiàn)了粉末微注射成形齒頂圓直徑小于1mm的微型齒輪的制備，齒頂圓直徑為400μm，齒輪中心孔為60μm，齒輪高度為200μm[5]。

6.微鑄造成形

微精密鑄造工藝依托于傳統(tǒng)鑄造工藝，可加工復(fù)雜三維形狀，有效的彌補(bǔ)了現(xiàn)有微成形工藝的缺陷。韓國LG研發(fā)中心用微鑄造工藝制備的螺旋微齒輪，其最大的外徑為1mm，整個齒高約為600μm。國內(nèi)哈工大李邦盛率先成功研發(fā)了微加壓鑄造工藝，成功制造了外徑只有580μm的三維復(fù)雜微齒輪，其齒輪軸直徑僅為300μm[6]。有關(guān)微鑄造成形工藝的研究，國外尚屬起步階段，國內(nèi)除哈工大外，尚屬空白，因此，深入研究微鑄造成形工藝及相關(guān)理論具有重要的學(xué)術(shù)價值和創(chuàng)新性。

7.展望

上述微成型技術(shù)外，還有微擠壓成形、激光微沖擊成形等新型微成形技術(shù)。隨著微成形技術(shù)的發(fā)展，某些微型零部件因材質(zhì)的限制，在成形過程中往往需要幾種微成形技術(shù)，微成形技術(shù)的綜合應(yīng)用應(yīng)當(dāng)是今后微成形技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)

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[3]楊元華，陳時錦，程凱等.超精密機(jī)械加工技術(shù)在微光學(xué)元件制造中的應(yīng)用[J].航空精密制造技術(shù)，2005（4）：10-12.

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[6]李邦盛，任明星，傅恒志.微精密鑄造工藝研究進(jìn)展[J].鑄造，2007，56（7）：673-678.