微細(xì)加工技術(shù)的應(yīng)用和趨勢

王凌杰　徐釗

衡水學(xué)院分院

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微細(xì)加工技術(shù)的應(yīng)用和趨勢

王凌杰徐釗

衡水學(xué)院分院

摘要：先進(jìn)制造工藝是先進(jìn)制造技術(shù)的核心和基礎(chǔ)，一個國家的制造工藝的水平的高低，在很大程度上決定了其制造業(yè)在國際市場的競爭實(shí)力。本文主要介紹先進(jìn)制造工藝中的微細(xì)加工技術(shù)在現(xiàn)在各個方面的應(yīng)用及發(fā)展。

隨著微納米技術(shù)的不斷發(fā)展，以本身形狀尺寸微小或操作尺度極小為特征的微機(jī)械已成為人們在微觀領(lǐng)域認(rèn)識和改造客觀世界的一種高新技術(shù)。微機(jī)械由于具有能夠在狹小空間內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，而又不擾亂工作環(huán)境和對象的特點(diǎn)，在航空航天，精密儀器，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用潛力，且是實(shí)現(xiàn)納米技術(shù)(Nan0technology) 的重要環(huán)節(jié)，因而受到人們的高度重視，被列為21世紀(jì)關(guān)鍵技術(shù)之首。

1　微機(jī)械的特征

微機(jī)械在美國常稱為微型機(jī)電系統(tǒng)；在日本稱作微機(jī)器；而在歐洲則稱作微系統(tǒng)。微機(jī)械按其尺寸特征可以分為1-10mm的微小型機(jī)械，lnm—lmm的微機(jī)械，以及l(fā)nm-lmm的納米機(jī)械。而制造微機(jī)械常采用的微細(xì)加工又可以進(jìn)一步分為微米級微細(xì)加工(micro—fabricat ion)，亞微米級微細(xì)加工(sub—micro—fabrication)和納米級微細(xì)加工(nano—fabrication)等。概括起來，微機(jī)械具有以下幾個基本特點(diǎn)：

體積小、精度高、重量輕。其體積可小至亞微米以下，尺寸精度達(dá)納米級，重量可輕至納克。性能穩(wěn)定、可靠性高。由于微機(jī)械的體積甚小，幾乎不受熱膨漲，噪聲和撓曲等因素影響，具有較高的抗干擾性，可在較差的環(huán)境下進(jìn)行穩(wěn)定的工作。能耗低、靈敏性和工作效率高。微機(jī)械所消耗的能量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)機(jī)械的十分之一，但卻能以十倍以上的速度來完成同樣的工作，如5mm×5mm×0.7mm 的微型泵的流速是比其體積大得多的小型泵的1000倍，而且機(jī)電一體化的微機(jī)械不存在信號延遲問題，可進(jìn)行高速工作。多功能和智能化。微機(jī)械最終要達(dá)到集傳感器、執(zhí)行器和電子控制電路為一體的目標(biāo)，特別是應(yīng)用智能材料和智能結(jié)構(gòu)后，更易于實(shí)現(xiàn)微機(jī)械的多功能化和智能化。

2　微細(xì)加工的工藝方法

2．1超微機(jī)械加工

超微機(jī)械加工是指用精密金屬切削和電火花、線切割等加工方法，制作毫米級尺寸以下的為機(jī)械零件，是一種三維實(shí)體加工技術(shù)，多是單件加工，單件裝配，費(fèi)用較高。微細(xì)切削加工適合所有金屬、塑料及工程陶瓷材料，主要切削方式有車削、銑削、鉆削等。

2．2光刻加工

光刻技術(shù)主要應(yīng)用在微電子中。它一般是對半導(dǎo)體進(jìn)行加工，需要一個有部分透光部分不透光的掩模板，通過曝光、顯影、刻蝕等技術(shù)獲得和掩模板一樣的圖形。先在處理過后的半導(dǎo)體上涂上光刻膠，然后蓋上掩模板進(jìn)行曝光，其中透光部分光刻膠的化學(xué)成分在曝光過程中發(fā)生了變化，之后進(jìn)行顯影，將發(fā)生化學(xué)變化的光刻膠腐蝕掉，裸露出半導(dǎo)體，之后對裸露出的半導(dǎo)體進(jìn)行刻蝕，最后把光刻膠去掉就得到了想要的圖形。

3　微細(xì)加工技術(shù)的尖端應(yīng)用

3．1搬遷原子

1990年，美國圣何塞IBMN爾馬登研究所科學(xué)家用STM將鎳表面吸附的氙原子逐一移動，最終以35個氙原子排成IBM三個字母。每個字母高5nm，原子間的最短距離為lnm。這一成果開創(chuàng)了人類單原子操縱研究的先河，表明人類不僅可以用SPY觀察、測量試樣表面上的原子、分子結(jié)構(gòu)，而且可以根據(jù)人的意志隨意加工制造出原子級的人工結(jié)構(gòu)。將原子、分子進(jìn)行重新組裝、排列成一定的形狀，是一種典型的“從下至上”構(gòu)筑物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最終極形式。15J～0．1納米。

3．2微機(jī)器人

微機(jī)器人(Micro—Robot)是相對比較完備的微型電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMs)的代表。微機(jī)器人的應(yīng)用主要集中在工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域及基礎(chǔ)學(xué)科研究領(lǐng)域，在移動或處理微組織，區(qū)分細(xì)胞，DNA分析，運(yùn)用STM或AFM操縱樣品等各項研究方面，微機(jī)器人都發(fā)揮著重要作用。在生物醫(yī)療方面，微機(jī)器人可輔助進(jìn)行細(xì)胞區(qū)分等輔助診斷以及眼部、腦部微紉手術(shù)。

4　微細(xì)加工的重要地位和趨勢

微細(xì)加工技術(shù)是精密加工技術(shù)的一個分支，面向微細(xì)加工的電加工技術(shù)，激光微工、水射流微細(xì)微細(xì)加工技術(shù)是精密加工技術(shù)的一個分支，面向微細(xì)加工的電加工技術(shù)，激光微孔加工、水射流微細(xì)切割技術(shù)等等在發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)，振興我國國防事業(yè)等發(fā)面都有非常重要的意義，這一領(lǐng)域的發(fā)展對未來的國民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)等將產(chǎn)生巨大影響，先進(jìn)國家紛紛將之列為未來關(guān)鍵技術(shù)之一并擴(kuò)大投資和加強(qiáng)基礎(chǔ)研究與開發(fā)。

隨著2O世紀(jì)8O年代后期微機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)這一門新興交叉學(xué)科的興起，微細(xì)加工技術(shù)作為獲得微機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)的必要手段，得到了快速的發(fā)展。微細(xì)加工技術(shù)起源于平面硅工藝，但隨著半導(dǎo)體器件、集成電路、微型機(jī)械等技術(shù)的發(fā)展與需求，微細(xì)加工技術(shù)已經(jīng)成為一門多學(xué)科交叉的制造系統(tǒng)工程和綜合高新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、生物工程、信息、航空航天、半導(dǎo)體工業(yè)、軍事、汽車等領(lǐng)域，給國民經(jīng)濟(jì)、人民生活和國防、軍事等帶來了深遠(yuǎn)的影響，被列為2l世紀(jì)關(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展有兩大趨勢：一是向著自動化、柔性化、集成化、智能化等方向發(fā)展，另一個就是尋求固有制造技術(shù)的自身微細(xì)加工極限。

未來微機(jī)械和微細(xì)加工技術(shù)的研究仍然要立足于微觀理論基礎(chǔ)的研究和微細(xì)加工技術(shù)的探討開發(fā)上。隨著人們對微觀世界的深入了解和掌握，微細(xì)加工技術(shù)手段必將發(fā)展向更高的層次，促進(jìn)人類社會通往更高層次的文明時代。

關(guān)鍵字：微機(jī)械 微機(jī)械加工技術(shù) 超微機(jī)械加工 光刻加工