微機械與微細加工技術

劉冬梅，夏景攀

（1.信陽高級技工學校，河南 信陽 464000；2.河南工業(yè)技師學院，河南 鄭州 450007）

微機械與微細加工技術

劉冬梅1，夏景攀2

（1.信陽高級技工學校，河南 信陽 464000；2.河南工業(yè)技師學院，河南 鄭州 450007）

通過對微機械和微細技工技術概念、特點，國內外發(fā)展情況以及微細加工部分工藝的描述、微機械的運用等，認識和了解國家在微細加工技術上的長處和不足，促進我國微細加工行業(yè)的發(fā)展。

微機械；微細加工；先進制造技術

微細加工技術是精密加工技術的一個分支，面向微細加工的電加工技術，激光微孔加工、水射流微細切割技術等在發(fā)展國民經濟，振興我國國防事業(yè)等方面都有非常重要的意義。這一領域的發(fā)展對未來的國民經濟、科學技術等將產生巨大的影響，先進國家紛紛將之列為未來關鍵技術之一并擴大投資和加強基礎研究與開發(fā)。

1 微機械的概念

微機械是指集成了微電子和微機械（或光學、化學、生物等方面微元件）的系統(tǒng)。它以微米尺度理論為基礎，用批量化的微電子技術和三維加工技術來完成信息獲取、處理及執(zhí)行等功能。微系統(tǒng)按特征尺寸范圍可分為三類：1mm～10mm的微小機械，1μm～1mm的微機械，1nm～1μm的納米機械。

微型機械在美國常稱為微型機電系統(tǒng)MEMS（MicroElectro Mechanical System）；在日本稱為微機械（Micromachine）；歐洲則稱為微系統(tǒng)（Micro-System）。

微型機械所具有的最明顯特征是由于幾何尺寸的微型化，表面積與體積之比將變大。同時他還具有內應力與應變之間不是線性關系、運動部件質量小，產生的壓力很小、材料性能發(fā)生本質變化等特征。同時由于微機械具有體積小、功能強；可批量制造；微小化——應用光學圖像的方法，可以制作出相當小且精確的機械組件；精密——微機械技術的制作過程相當精確；機械組件與電子組件可整合在同一硅芯片上等特點。使其在出現(xiàn)只不過短短10年左右的時間，已成為一個新興的、邊緣性的高技術學科領域。

2 微機械國內外發(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，其后開發(fā)出尺寸為50μm～500μm的齒輪、齒輪泵、氣動渦輪及聯(lián)接件等微機械。1987年美國加州大學伯克利分校研制出轉子直徑為60μm～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結構并與集成電路兼容以制造微小系統(tǒng)的潛力。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。1988年德國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。1991年日本通產省開始啟動一項為期10年、耗資250億日元的微型大型研究計劃。在國內微機械研究同樣取得了一些成績。廣東工業(yè)大學與日本駐波大學合作研制出一維、二維聯(lián)動壓電陶瓷驅動器，位移范圍為10μm×10μm；位移分辨率為0.01μm，精度為0.1μm。長春光學精密儀器研究所研制出直徑為3mm的壓電電動機、電磁電動機、微測試儀器和微操作系統(tǒng)。上海冶金研究所研制出微電動機、多晶硅梁結構、微泵與閥。上海交通大學研制出直徑為2mm的電磁電動機。

3 微細加工的關鍵技術

（1）微系統(tǒng)設計。主要是微結構設計數(shù)據庫、有限元和邊界分析、CAD/CAM仿真和擬實技術、微系統(tǒng)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。主要指高深度比多層微結構的硅表面加工和體加工技術，利用X射線光刻、電鑄的LIGA和利用紫外線的準LIGA加工技術；微結構特種精密加工技術包括微火花加工、能束加工、立體光刻成型加工；特殊材料特別是功能材料微結構的加工技術；多種加工方法的結合；微系統(tǒng)的集成技術；微細加工新工藝探索等。

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

（4）微系統(tǒng)的表征和測試技術。主要有結構材料特性測試技術，微小力學、電學等物理量的測量技術，微型器件和微型系統(tǒng)性能的表征和測試技術，微型系統(tǒng)動態(tài)特性測試技術，微型器件和微型系統(tǒng)可靠性的測量與評價技術。

4 微細加工工藝

微細加工工藝包括電子束加工技術、離子束加工技術、激光束加工、光刻技工技術、刻蝕加工技術、LIGA技術、犧牲層技術、外延生長技術等。

（1）微蝕刻加工技術。硅平面技術衍生，可批量制作、預組裝及容易與微電子電路集成的技術特點，適宜微型傳感器制作。

（2）光刻電鑄技術（LIGA）。LIGA是德文Lithographie，Galanoformung和Abformung三個詞，即光刻、電鑄和注塑的縮寫。LIGA工藝是一種基于X射線光刻技術的MEMS加工技術，主要包括X光深度同步輻射光刻，電鑄制模和注模復制三個工藝步驟。①采用深層同步輻射光刻，涂覆光致抗蝕劑，X射線曝光蝕刻出圖形；②電鑄，以曝光蝕刻的圖形實體作為電鑄用胎模，用電沉積法在胎模上沉積金屬，生成微鑄件；③注射成形，以微鑄件為模具，即可加工所要求的微零件。LIGA的工藝特點，使其具有可制造較大高寬比的結構（由于X射線有非常高的平行度、極強的輻射強度、連續(xù)的光譜，波長短，穿透力強）；取材廣泛，可以是金屬、陶瓷、聚合物、玻璃等；可制作任意截面形狀圖形結構，且加工精度高；可重復復制，符合工業(yè)上大批量生產要求，制造成本相對較低等特點。

5 微細加工技術的應用

微型機械質量輕、體積小、高智能，可以代替大型機器人或完成機器人無法完成的收集信息、智能操作等活動。在醫(yī)療領域，其載入CCD相機和微型光纖檢查器官；工業(yè)領域，其對危險或人無法到達場所的設施進行巡查、維修；生物領域，進行細胞解剖、合成、移植；航海海洋領域，利用群體機器人咀嚼輪船底部貝類和苔蘚；農業(yè)領域，利用成千上萬個微型機器人，制服各種害蟲；軍事領域，浮海機器人監(jiān)視海底動靜發(fā)送信號。

加州大學伯克利分校的學者花了三年時間，研究自然界昆蟲的特別飛行方式，并根據非穩(wěn)定速度模式的氣動學原理，制造了只有25mm寬的微型機械昆蟲。機械昆蟲有類似同類生物的靈活胸腔結構，并在其中置有壓電致動器，可作有力及高頻率的振翅動作，只要裝上鋰電池或太陽能充電電池，便能像自然界中的昆蟲一樣自動不停的飛翔。

6 結語

微細加工作為精密和超精密加工的一個分支，在國防和眾多領域都顯示了它本身的重要性，我國在這一領域的發(fā)展還存在著嚴重的不足。為使我國的科技實力、國防實力以及經濟實力持續(xù)穩(wěn)定健康的發(fā)展，就必須積極的發(fā)展和創(chuàng)新在這一科技領域的技術，不斷改善和完善技術工藝，使國家在這一領域走到世界的前沿。同時作為一個新興行業(yè)，微細加工和精密超精密加工的發(fā)展前景是無可限量的，只要高度重視它的發(fā)展，將開創(chuàng)科學領域的新局面，攀上科技的高峰。

［1］賓鴻贊.先進制造技術［M］.武漢：華中科技大學出版社，2010.

［2］宋庭新.先進制造技術［M］.北京：中國水利水電出版社，2014.

［3］王隆太.先進制造技術［D］.揚州：揚州大學，2015.

［4］苑偉政.微機械與微細加工［D］.西安：西北工業(yè)大學，2000.

Micromachining and Microfabrication Technology

LIU Dong-mei1，XIA Jing-pan2
（1.Xinyang Senior Technical School，Xinyang，Henan 464000，China；2.Henan Industrial Technician College，Zhengzhou，Henan 450007，China）

Based on the micro mechanical and micro mechanics technology concepts，characteristics，development and micro processing technology at home and abroad，some micro machinery and so on，the paper recognizes and understands the national strengths and weakness in micro machining technology in order to promote micro processing industry in China's development.

MEMS；micro machining；advanced manufacturing technology

TH703

A

2095-980X（2017）01-0036-02

2016-12-14

劉冬梅（1981-），碩士，主要研究領域：機械工程、先進制造技術及模式。