微型機(jī)械的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用研究

鄧加

摘 要：微型機(jī)械重量輕、體積小、集成度高、可靠性理想，在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)受到扭曲、噪聲、熱膨脹等因素的影響，有著顯著的優(yōu)勢(shì)。在人類科技水平的不斷發(fā)展下，微型機(jī)械領(lǐng)域也在不斷地完善，微型機(jī)械領(lǐng)域是一門綜合性的學(xué)科，其內(nèi)容涵蓋到了化學(xué)、物理、生物等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，在未來(lái)階段下，還需要針對(duì)其中的核心技術(shù)進(jìn)行深入研究，以期取得更大的突破。該文主要針對(duì)微型機(jī)械的優(yōu)勢(shì)、類型及其應(yīng)用展開(kāi)分析。

關(guān)鍵詞：微型機(jī)械 優(yōu)勢(shì) 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TH6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）12（c）-0119-02

在大規(guī)模集成電力的發(fā)展下，各類機(jī)電設(shè)備也朝著大型化、大功率以及高強(qiáng)度的方向發(fā)展，但是在操作空間因素的影響下，部分設(shè)備的推廣受到了阻礙，在這一背景下，發(fā)展微型機(jī)械產(chǎn)業(yè)非常重要。目前，各個(gè)國(guó)家都在致力于微型機(jī)械的研究，取得了空前的成果。

1 微型機(jī)械的優(yōu)勢(shì)分析

微型機(jī)械重量輕、體積小，以毫米、微米作為度量單位，必須要借助儀器才能夠了解微型機(jī)械的工作狀態(tài)，關(guān)于微型機(jī)械的研究，最早源于20世紀(jì)70年代，到了90年代時(shí)候，微型機(jī)械產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了迅速發(fā)展時(shí)期，并在各類領(lǐng)域中得到推廣。微型機(jī)械是基于現(xiàn)代科學(xué)基礎(chǔ)上，由全新的思維模式、設(shè)計(jì)理念與制作方法指導(dǎo)得出的產(chǎn)物，無(wú)論在結(jié)構(gòu)、尺度、制造方法還是材料上，都屬于一門新興的學(xué)科。與傳統(tǒng)機(jī)械相比，微型機(jī)械重量輕、體積小、集成度高、可靠性理想，其體積可以達(dá)到亞微米以下，尺度精度能夠達(dá)到納米級(jí)，機(jī)體不會(huì)受到扭曲、噪聲、熱膨脹等因素的影響，抗干擾性非常理想，能夠在不利的環(huán)境下工作。微型機(jī)械的生產(chǎn)方式應(yīng)用了半導(dǎo)體制造工藝，能夠集齊電路芯片于一體，顯著降低了制造成本。我國(guó)在近幾年，通過(guò)微齒輪、微泵、微電機(jī)、微馬達(dá)、微型飛機(jī)和微型陀螺等研究，在這一領(lǐng)域取得了突出進(jìn)展。提出和發(fā)展了由于尺度效應(yīng)而產(chǎn)生的微機(jī)械學(xué)。微型機(jī)械技術(shù)已開(kāi)始在我國(guó)的社會(huì)生產(chǎn)中發(fā)揮作用，如，微操作機(jī)器人已開(kāi)始用于生物工程中的細(xì)胞分裂、顯微手術(shù)和生物芯片的制造工藝；微傳感器已經(jīng)開(kāi)始用于飛行器的加速度、壓力等參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量；納米薄膜潤(rùn)滑技術(shù)已應(yīng)用于火箭和計(jì)算機(jī)硬盤的制造工藝。

2 微型機(jī)械的核心技術(shù)及其應(yīng)用

微型機(jī)械集齊了微執(zhí)行器、微傳感器、微結(jié)構(gòu)、微系統(tǒng)于一體，加工方式非常多樣，衍生出的技術(shù)類型也非常多，其中代表性的有以下幾種。

2.1 集成電路技術(shù)

集成電路技術(shù)近年來(lái)得到了迅速發(fā)展，是微型機(jī)械加工中應(yīng)用最為普遍的一種技術(shù)，其刻蝕深度以納米計(jì)，只要應(yīng)用在硅材料零部件的制作中。集成電路技術(shù)與集成電路的相容性非常好，因此，應(yīng)用范圍也更加廣泛。其中具有代表性的就是集成電路技術(shù)在光顯示器以及速度傳感器中的應(yīng)用。

2.2 光刻電鑄技術(shù)

光刻電鑄技術(shù)是由德國(guó)首次研發(fā)成功，該種技術(shù)應(yīng)用了犧牲層技術(shù)與X射線光刻技術(shù)，能夠在任何材料上形成微結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為微型機(jī)械的重要手段，利用光刻電鑄技術(shù)能夠制作出微機(jī)械零件、微馬達(dá)、微光學(xué)元件、微傳感器等產(chǎn)品。準(zhǔn)光刻電鑄技術(shù)是在光刻電鑄技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，主要由電鑄成型、深層X(jué)射線光刻、注塑成型工藝組成，該種技術(shù)需要使用0.2～1 nm的光，刻蝕深度能夠達(dá)到幾百微米，是一種非常具有發(fā)展前景的三維加工技術(shù)，適宜應(yīng)用在各種金屬與非金屬材料微型機(jī)械構(gòu)件的制作中。但是，該種技術(shù)使用的輻射X光設(shè)備價(jià)格偏高，因此并未得到推廣。此后，一種新型金屬電鍍技術(shù)出現(xiàn)，這不需要同步輻射X光準(zhǔn)光刻電鑄技術(shù)，這兩種技術(shù)的共同點(diǎn)是采用電鍍金屬層材料來(lái)制作，但是設(shè)備條件要求較低，與集成電路相比，相容性更高，有著更好的實(shí)用性與靈活性。

2.3 腐蝕成型技術(shù)

腐蝕成型技術(shù)在微型機(jī)械構(gòu)件的深加工中有著廣泛的應(yīng)用，在應(yīng)用這一技術(shù)時(shí)，需要先將材料中的犧牲層脫去，留下剩余的加工層，再制作出工件，清洗完畢后即可得到最終的成品。常用的腐蝕法包括干法與濕法兩種類型，其中干法有激光法、離子法，濕法則包括陽(yáng)極法與溶液法，最為常用的技術(shù)就是溶液法，該種方式成本低廉、操作簡(jiǎn)單、加工范圍寬，受到了各個(gè)行業(yè)的青睞。

2.4 鍵合技術(shù)

硅-硅鍵合技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)有多年的歷史，目前，上海冶金研究所已經(jīng)成功研制出150°以下的低溫鍵合技術(shù)，該種技術(shù)需要先在硅片表面注入氫埋層，將兩片硅片鍵合，再利用熱處理工藝將上層單晶硅剝離，形成表面單晶硅薄層，這就可以避免減薄、拋光等工藝，制作起來(lái)更加便捷。

當(dāng)然，微型機(jī)械的發(fā)展也會(huì)出現(xiàn)一系列的問(wèn)題，當(dāng)機(jī)械尺寸微小化并達(dá)到微米層次后，實(shí)際上已超出了常用于宏觀機(jī)械的傳統(tǒng)理論的適用范圍，人們將面臨著一個(gè)前所未有的科學(xué)難題——尺度效應(yīng)。尺度效應(yīng)主要包括材料小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)。其中，材料小尺寸效應(yīng)是指當(dāng)構(gòu)件的幾何特征尺寸縮小到一定范圍時(shí)，材料的許多特性會(huì)發(fā)生較大的變化。要實(shí)現(xiàn)微型機(jī)械的發(fā)展，必須要重點(diǎn)解決該種問(wèn)題。

3 微型機(jī)械的應(yīng)用

21世紀(jì)的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，人口、資源與環(huán)境已經(jīng)成為人類面臨的3個(gè)難題，微型機(jī)械技術(shù)有著重量輕、體積小、可靠性高、能耗低、智能化程度高、集成度高的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于解決資源和環(huán)境問(wèn)題有著積極的作用。雖然微型機(jī)械技術(shù)與理論尚未成熟，還處在進(jìn)一步的發(fā)展中，但是已經(jīng)發(fā)展成各類微型機(jī)械，常見(jiàn)的有微機(jī)器人、微執(zhí)行器、微傳感器等，這為微型機(jī)械的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由于微型機(jī)械系統(tǒng)的多樣性和廣泛性，也只有多種技術(shù)的結(jié)合才能滿足微型機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的需要。但是，除了部分傳感器之外，多數(shù)微型機(jī)械還處于研發(fā)階段，基本上針對(duì)某種具體應(yīng)用而開(kāi)發(fā)，性能與規(guī)格尚未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，缺乏通用性。在微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展下，微型機(jī)械也會(huì)逐步進(jìn)入到標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)代，微型機(jī)械在21世紀(jì)將會(huì)有難以估量的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?，有著巨大的?jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。實(shí)踐顯示，微型機(jī)械融合了多學(xué)科、多專業(yè)的內(nèi)容，與傳統(tǒng)機(jī)械相比而言，微型機(jī)械是一次重要的革命，雖然其技術(shù)與理論還處于發(fā)展階段，但是已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，在微執(zhí)行器、微傳感器、微型機(jī)器人的制造上獲得了突出的效果。在技術(shù)水平的限制下，除了部分傳感器已經(jīng)被研制成功，大多數(shù)技術(shù)還處于研究階段，性能與規(guī)格也還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，筆者深信，在相關(guān)技術(shù)水平的進(jìn)步下，微型機(jī)械技術(shù)必然可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展，為人類社會(huì)的發(fā)展起到更大的推動(dòng)作用。

4 結(jié)語(yǔ)

在人類科技水平的不斷發(fā)展下，微型機(jī)械領(lǐng)域也在不斷地完善，微型機(jī)械領(lǐng)域是一門綜合性的學(xué)科，其內(nèi)容涵蓋到了化學(xué)、物理、生物等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，在未來(lái)階段下，還需要針對(duì)其中的核心技術(shù)進(jìn)行深入研究，以期取得更大的突破。

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