关于微型机械加工的发展现状研究

1关于微型机械加工的发展现状研究孙晓娜（辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新市123000）摘要：微型机械加工技术是21世纪核心技术之一，本文扼要介绍有关微型机械加工技术技术的基础性概念，国内外微型机械加工技术的发展现状及其发展新模式和新趋势关键词：兴起；微型机械；加工技术；应用；关键技术；发展现状；发展趋势1微型机械加工技术的兴起人类在面临环境污染日益加重的情况下,提出了可持续发展的战略.该战略要求建立社会和经济的发展必须与资源和环境的保护相协调的模式.这就要求人们对环境中诸如大气、水的理化参数等指标的检测手段具有先进性、适时性和综合性.利用微型机机械系统灵敏度高、可靠性好、多功能和高集成的特点进行环境检测和污染评价,以减少像发电机、化工厂、汽车和飞机所造成的污染是非常方便的.例如,研制集测量pH值、流量和成分分析等功能于一体的多功能传感器就能在监测多种污染方面发挥很好的作用[1].人类追求美好生活的愿望越来越受到资源因素的约束,解决这一矛盾的有效途径有两条:一是开发利用新资源;二是充分、高效地利用现有资源.微型机械技术在解决这一矛盾的二个途径上均有独到的优势.从已研制出的静电型微电机和压电型微电机来看,它们分别利用静电和超声波来做驱动能源.由于微型机械的能耗低、效率高,这就为人类解决资源问题“另辟蹊径”.微型机械的出现为人类战胜疾病提供了强有力的武器和手段.微型机械体积小、重量轻、能耗低,能进入一般机械无法进入的微小空间作业,且能进行精细操作,加之又能与微电子集成和接口,有利于简化结构并强化功能.例如,将微型传感器用口服或皮下注射的方法送入人体,就可以对体油脂沉积物,可除去体中的胆固醇,可探测和清除人体内的癌细胞.微型机械在现代医疗技术中的应用潜力十分巨大,它为人类最终征服各种绝症和延长寿命带来了希望.微型机械在其他领域同样具有巨大的应用潜力.在宇航中,可将全集成气相色谱微系统散布在广漠的太空,进行星际物质和生命起源的探测;在工业中,可用大量一次性微型机器人去清除锈蚀,检查和维修高压容器的焊缝;在超大规模集成电路制造中,可用微型气体精控器、微真空操作器以及微定位器等来提高兆级VLSI的加工精度制造水平;在航空器和汽车的前部装上微型远红外导航仪,就能早期发现目标和前方障碍;在军事中,将微齿轮组织的“强链”微型机械用于核武器安全装置,可避免核武器由雷击引起的突发事故.2微型机械加工技术概念2微型机械加工或称微型机电系统或微型系统是只可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通讯电路和电源等于一体的微型器件或系统。其主要特点有：体积小（特征尺寸范围为：1μm-10mm）、重量轻、耗能低、性能稳定；有利于大批量生产，降低生产成本；惯性小、谐振频率高、响应时间短；集约高技术成果，附加值高。微型机械的目的不仅仅在于缩小尺寸和体积，其目标更在于通过微型化、集成化、来搜索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域，形成批量化产业。微型机械加工技术是指制作为机械装置的微细加工技术。微细加工的出现和发展早是与大规模集成电路密切相关的，集成电路要求在微小面积的半导体上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂而完善的电路。电路微细图案中的最小线条宽度是提高集成电路集成度的关键技术标志，微细加工对微电子工业而言就是一种加工尺度从微米到纳米量级的制造微小尺寸元器件或薄模图形的先进制造技术。目前微型加工技术主要有基于从半导体集成电路微细加工工艺中发展起来的硅平面加工和体加工工艺，上世纪八十年代中期以后在LIGA加工（微型铸模电镀工艺）、准LIGA加工，超微细加工、微细电火花加工（EDM）、等离子束加工、电子束加工、快速原型制造（RPM）以及键合技术等微细加工工艺方面取得相当大的进展。微型机械系统可以完成大型机电系统所不能完成的任务。微型机械与电子技术紧密结合，将使种类繁多的微型器件问世，这些微器件采用大批量集成制造，价格低廉，将广泛地应用于人类生活众多领域。可以预料，在本世纪内，微型机械将逐步从实验室走向适用化，对工农业、信息、环境、生物医疗、空间、国防等领域的发展将产生重大影响。微细机械加工技术是微型机械技术领域的一个非常重要而又非常活跃的技术领域，其发展不仅可带动许多相关学科的发展，更是与国家科技发展、经济和国防建设息息相关。微型机械加工技术的发展有着巨大的产业化应用前景。3关键技术和前沿关键技术3.1关键技术微型机械是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，面临许多课题，涉及许多关键技术。当一个系统的特征尺寸达到微米级和纳米级时，将会产生许多新的科学问题。例如随着尺寸的减少，表面积与体积之比增加，表面力学、表面物理效应将起主导作用，传统的设计和分析方法将不再适用。为摩擦学、微热力这等问题在微系统中将至关重要。微系统尺度效应研究将有助于微系统的创新。微型机械不是传统机械直接微型化，它远超出了传统机械的概念和范畴。微型机械在尺度效应、结构、材料、制造方法和工作原理等方面，都与传统机械截然不同。微系统的尺度3效应、物理特性研究、设计、制造和测试研究是微系统领域的重要研究内容。在微系统的研究工作方面，一些国内外研究机构已在微小型化尺寸效应，微细加工工艺、微型机械材料和微型结构件、微型传感器、微型执行器、微型机构测量技术、微量流体控制和微系统集成控制以及应用等方面取得不同程度的阶段性成果。微型机械加工技术是微型机械发展的关键基础技术，其中包括微型机械设计微细加工技术、微型机械组装和封装技术、为系统的表征和测量技术及微系统集成技术。3.2前沿关键技术（1）微系统设计技术。微系统设计技术主要是微结构设计数据库、有限元和边界分析、CAD/CAM仿真和拟实技术、微系统建模等，微小型化的尺寸效应和微小型理论基础研究也是设计研究不可缺少的课题，如：力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件材料性能等。（2）微细加工技术.微细加工技术主要指高深度比多层微结构的硅表面加工和体加工技术，利用X射线光刻、电铸的LIGA和利用紫外线的准LIGA加工技术；微结构特种精密加工技术包括微火花加工、能束加工、立体光刻成形加工；特殊材料特别是功能材料微结构的加工技术；多种加工方法的结合；微系统的集成技术；微细加工新工艺探索等。（3）微型机械组装和封装技术。微型机械组装和封装技术主要指沾接材料的粘接、硅玻璃静电封接、硅硅键合技术和自对准组装技术，具有三维可动部件的封装技术、真空封装技术等新封装技术的探索。（4）微系统的表征和测试技术.微系统的表征和测试技术主要有结构材料特性测试技术，微小力学、电学等物理量的测量技术，微型器件和微型系统性能的表征和测试技术，微型系统动态特性测试技术，微型器件和微型系统可靠性的测量与评价技术。4微型机械加工技术的国内外发展现状4.1国外技术现状1959年,RichardP.Feynman(1965年诺贝尔物理奖获得者)就提出了微型机械的设想1962年第一个硅微型压力传感器问世,其后开发出尺寸为50~500Lm的齿轮!齿轮泵!气动涡轮及联接件等微机械1965年,斯坦福大学研制出硅脑电极探针,后来又在扫描隧道显微镜!微型传感器方面取得成功1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60~12Lm的硅微型静电机,显示出利用硅微加工工艺制作小可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力微型机械在国外已受到政府部门!企业界!高等学校与研究机构的高度重视美国MIT!Berkeley!Stanford!AT&T和NSF的15名科学家在上世纪八十年代未提出/小机器!大机遇:4关于新兴领域)))微动力学的报告0的国家建议书,声称/由于微动力学(微系统)在美国的紧迫性,应在这样一个新的重要技术领域与其它国家的竞争中走在前面0,建议中央财政预支费用为五年MEMS作为科技发展的三大重点美国宇航局投资1亿美元着手研制/发现号微型卫星0,美国国家科学基金会把MEMS作为一个新崛起的研究领域并制定了资助微型电子机械系统的研究的计划,从1998年开始,资助MIT,加州大学等8所大学和贝尔实验室从事这一领域的研究与开发,年资助额从100万!200万加到1993年的500万美元1994年发布的5美国国防部技术计划6报告,把MEMS列为关键技术项目美国国防部高级研究计划局积极领导和支持MEMS的研究和其军事应用,现已建造一条MEMS标准工艺线以促进新型元件/装置的研究与开发美国工业界主要致力于压力传感器!位移传感器!应变仪和加速度表等传感器有关领域的研究很多机构参加了微型机械系统的研究,如康奈尔大学!斯坦福大学!加州大学伯克利分校!密执安大学!威斯康星大学!劳伦兹得莫尔国家研究等加州大学伯克利传感器和执行器中心(BSAC)得到国防部和十几家公司资助1500万元后,建立了1115m2研究开发MEMS的超净实验室日本通产省1991年开始启动一项为期10年!耗资250亿日元的微型机械大型研究计划,研制两台样机,一台用于医疗,进入人体进行诊断和微型手术,另一台用于工业,对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修该计划有筑波大学!东京工业大学!东北大学!早稻田大学和富士通研究所等几十家单位参加欧洲工业发达国家也相继对微型系统的研究开发进行了重点投资,德国自1988年开始微加工十年计划项目,其科技部于1990年~1993年拨款4万马克支持/微系统技术0研究,并把微系统列为本世纪初科技发展的重点,德国首创的LIGA工艺,为MEMS的发展提供了新的技术手段,并已成为三维结构制作的优选工艺法国1993年启动的7000万法朗的/微系统与技术0项目欧共体组成/多功能微系统研究网络NEXUS0,联合协调46个研究所的研究瑞士在其传统的钟表制造业和小型精密机械工业的基础上也投入了MEMS的开发工作,1992年投资为1000万美元英国政府也制订了纳米科学计划,在机械!光学!电子学等领域列出8个项目进行研究与开发为了加强欧洲开发MEMS的力量,一些欧洲公司已组成MEMS开发集团目前已有大量的微型机械或微型系统被研究出个红血球,尺寸为7mm@7mm@2mm的微型泵流量可达250Ll/min,能开动的3mm大小的汽车,在磁场中飞行的机器蝴蝶,以及集微型速度计!微型陀螺和信号处理系统为一体的微型惯性组合(MIMU)德国创造了LIGA工艺,制成了悬壁梁!执行机构以及微型泵!微型喷嘴,湿度!流量传感器以及多种光学器件美国加州理工学院在飞机翼面粘上相当数量的1mm的微梁,控制其弯曲角度以影响飞机的空气动力学特性美国大批量生产的硅加速度计把微型传感器(机械部分)和集成电路(电信号源!放大器!5信号处理和正检正电路等)一起集成在硅片上3mm@3mm的范围内日本研制的数厘米见方的微型车床可加工精度达1.5Lm的微细轴21国内技术现状我国在科技部!国家自然科学基金委教育部和总装备部的资助下,一直在跟踪国外的微型机械研究,积极开展MEMS的研究现有的微电子设备和同步加速器为微系统提供了基本条件,微型驱动器和微型机器人的开发早已列入国家863高技术计划及攀登计划B中已有近40个研究小组,取得了一下些研究成果广东工业大学与日本筑波大学合作,开展了生物和医用微型机器人的研究,已研制出一维!二维联动压电陶瓷驱动器,其位移范围为10Lm@10Lm;位移分辨率为0.01Lm,精度为0.1Lm,正在研制,6自由度微型机器人;长春光学精密机器研究所研制出直径为3mm的压电电机!电磁电机!微测试仪器和微操作系统上海冶金研究所研制出了微电机!多晶硅梁结构!微泵与阀上海交通大学研制出2mm的电磁电机,南开大学开展了微型机器人控制技术的研究等我国有很多机构对多种微型机械加工的方法开展了相应的研究,已奠定了一定的加工基础,能进行硅平面加工和体硅加工!LIGA加工!微细电火花加工及立体光刻造型法加工等4.2国内技术现状我国在科技部!国家自然科学基金委教育部和总装备部的资助下,一直在跟踪国外的微型机械研究,积极开展MEMS的研究现有的微电子设备和同步加速器为微系统提供了基本条件,微型驱动