先进制造工艺技术-微纳制造技术

1之先进制造工艺技术先进制造系统1微纳制造1.1微纳制造的发展1.2微系统的关键技术1.3纳米加工技术1.4微纳制造例子∨∧2之先进制造工艺技术先进制造系统微纳制造技术是关于微系统和纳米技术的统称。1）微系统是指集成了微电子和微机械（或光学、化学、生物等方面微元件）的系统。它以微米尺度理论为基础，用批量化的微电子技术和三维加工技术来完成信息获取、处理及执行等功能。微系统按特征尺寸范围可分为三类：1mm~10mm的微小机械，1μm~1mm的微机械，1nm~10μm的纳米机械。2）纳米技术是指纳米级0.1nm~100nm的材料、设计、加工、测量、控制和产品的技术。本节将主要介绍纳米加工技术。1.1微纳制造的发展∨∧1.微纳制造的概念3之先进制造工艺技术先进制造系统微型机械将逐步走向实用化，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。如把传感器和调配药剂量的“药剂师”集于一身，制成微型“智能药丸”，通过口服或皮下注射进入人体，用以探测和清除人体内的癌细胞。微系统可用于视网膜手术、修补血管等。在工业领域，微型机电产品可以在管路检修和飞机内部检修等狭窄空间和恶劣环境下进行诊断和修复工作。在汽车轮胎内嵌入微型压力传感器用以保持适当充气，避免充气过量或不足，仅此一项就可节油10％，仅美国国防部系统就能节省几十亿美元的汽油费。1.1微纳制造的发展2.微纳制造技术的应用∨∧4之先进制造工艺技术先进制造系统1.2微系统的关键技术微系统是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，其涉及许多关键技术。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。微系统研究领域的前沿关键技术有：微系统设计技术微细加工技术微系统组装和封装技术微系统的表征和测试技术∨∧5之先进制造工艺技术先进制造系统1.3纳米加工技术纳米加工技术主要有5个方面：①采用微化的定形整体刀具或非定形磨料工具进行机械加工：如车削、钻削、铣削和磨削。②采用电加工或在其基础上的复合加工，如微细电火花加工、线放电磨削加工、线电化磨削、电化加工等。③采用光、声等能量加工法，如微细激光束加工、微细超声加工。④采用光化掩模加工法，如光刻法，LIGA法。⑤采用层积增生法，如曲面的磁膜镀覆，多层薄膜镀覆和液滴层积。∨∧6之先进制造工艺技术先进制造系统1）光刻电铸（LIGA）技术它的工艺过程为：①采用深层同步辐射光刻，涂覆光致抗蚀剂（图a），经X射线曝光蚀刻出图形（图b）；②电铸，以曝光蚀刻的图形实体作为电铸用胎模，用电沉积法在胎模上沉积金属（图c），生成微铸件（图d）③注射成形，以微铸件为模具，即可加工所要求的微零件（图e）。1.3纳米加工技术∨∧图1LIGA法的工艺过程a）涂覆光致抗蚀剂b）X射线曝光蚀刻c）电铸d）微铸件e）注射成形零件d）7之先进制造工艺技术先进制造系统2）半导体加工技术半导体加工技术即半导体表面和立体的微细加工，指在以硅为主要材料的基片上进行沉积、光刻与蚀刻的工艺过程。半导体加工技术使微系统的制作具有低成本、大批量生产的潜力。1.3纳米加工技术∨∧8之先进制造工艺技术先进制造系统3）集成电路（IC）技术集成电路（IC）技术是一种发展十分迅速且较成熟的制作大规模电路的加工技术，在微机械加工中使用较为普遍，是一种平面加工技术。但该技术的刻蚀深度只有数百纳米，且只限于制作硅材料的零部件。1.3纳米加工技术∨∧9之先进制造工艺技术先进制造系统4）超微机械加工和电火花线切割加工用小型精密金属切削机床及电火花、线切割等加工方法，制作毫米级尺寸左右的微机械零件，是一种三维实体加工技术，加工材料广泛，但多是单件加工、单件装配，费用较高。1.3纳米加工技术∨∧10之先进制造工艺技术先进制造系统5）键合技术键合技术是一种把两个固体部件在一定的温度与电压下直接键合在一起的封装技术，其间不用任何粘接剂，在键合过程中始终处于固相状态。1.3纳米加工技术∨∧11之先进制造工艺技术先进制造系统6）分子装配技术20世纪80年代初发明的扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicrosoft，STM）以及后来在STM基础上派生出来的原子力显微镜（AtomicForceMicrosoft，AFM），使观察分子、原子的结构从宏观世界进入了微观世界。利用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可以按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作微机械。1.3纳米加工技术∨∧12之先进制造工艺技术先进制造系统目前，集成电路已经从20世纪60年代的每个芯片上仅几十个器件发展到现在的每个芯片上可包含约10亿个器件，其集成度每3年提高4倍。这一增长速度不仅导致了半导体市场在过去30年中以平均每年约15%的速度增长，而且对现代经济、国防和社会也产生了巨大的影响。集成电路之所以能飞速发展，光刻技术的支持起到了极为关键的作用。1.4微纳制造应用案例1.电子束光刻加工技术∨∧13之先进制造工艺技术先进制造系统电子束光刻的原理如图2所示，在由掩膜（其上有所需集成电路图形）、光致抗蚀剂涂层和半导体基片构成的三层材料上，利用电子束透射掩膜，照射到光致抗蚀剂涂层上，由于化学反应，经显影后，在光致抗蚀剂涂层上就形成与掩膜相同的所需线路图形。随之，在基片上形成电路有两种处理办法：①用离子束溅射去除，可得到凹形电路。②用金属蒸镀方法，可形成凸形电路。1.4微纳制造应用案例1.电子束光刻加工技术∨∧14之先进制造工艺技术先进制造系统1.电子束光刻加工技术1.4微纳制造应用案例∨∧图2电子束光刻加工过程15之先进制造工艺技术先进制造系统2.微型机械昆虫加州大学布克莱分校的学者花了三年时间，研究自然界昆虫的特别飞行方式，并根据这种非稳定速度模式的气动学原理，制造了只有25毫米宽(从一翼端至另一翼端)的微型机械昆虫。该机械昆虫有类似同类生物的灵活胸腔结构，并在其中置有压电致动器，可作有力及高频率的振翅动作，只要装上锂电池或太阳能充电电池，便能像自然界中的昆虫一样自动不停的飞翔。1.4微纳制造应用案例∨∧16之先进制造工艺技术先进制造系统3.世界最小的微型机械人美国山迪亚国家实验室的科学家,成功研制了世界最小的微型机械人，其只有1/4立方寸，体重小於1盎司。科学家希望利用这种微型机械人，帮助侦查地雷，化学及生物武器的所在；由於机械人体积细小，可爬进建筑物的管道，找出化学品甚至人类所在，并将有关信息传送到指挥中心；科学家还可以部署一群微型机械人，进行不同的任务，比较体积大的机械人更灵活和有弹性。1.4微纳制造应用案例∨∧17之先进制造工艺技术先进制造系统耳蜗里的听觉毛细胞可以感测到在淋巴液内移动的声波，并且将声波转换为电子讯号，听神经再将此讯号传达到大脑。但不幸的是很多人甚至是一出生就没有机会倾听大自然美妙的声音，但是密西根大学研究人员研发的机械耳蜗他们带来了希望。4.以微型加工技术制造的机械耳蜗1.4微纳制造应用案例机械耳蜗的作用原理与生物耳蜗相同，以薄膜结构模仿基底膜构造。密大的机械耳蜗有三个优点，首先是其尺寸大小如实体，其次是适合大量生产，最后是能以低功率机械方式进行声学信号处理。∨∧18之先进制造工艺技术先进制造系统5.微型机械零件“自组织化”装配技术东京大学山下勋教授日前开发出一种微型机械零件“自组织化”自动装配技术，利用自然界的“自组织化”现象把散乱零件结合到一起，对提高工作效率、增加微型机械产量大有帮助。原子在硅酸化物基片上可以自然成形，这种现象被称为“自组织化”。山下教授受此启发，先在微型零件表面涂上化学物质，让他们具有溶水性或排水性，然后放入溶液中。结果，排水性零件互相吸引，而与溶水性零件互相排斥。只要在零件表面涂料上下功夫，零件就会根据需要很好地结合在一起。研究人员把直径仅为10微米的硅粒作为零件进行实验，硅粒排成一列，连成微小柱形，再在基片表面进行化学处理，成功地把硅粒柱敷设在基片上。这种技术在超大规模集成电路微型装置镶嵌中大有用武之地。1.4微纳制造应用案例∨∧19之先进制造工艺技术先进制造系统根据美国康乃尔大学奈米生物科技研究小组的研究，已成功地制造出与病毒大小差不多的分子马达。该生物分子马达是以200nm长、80nm直径宽的金属镍为轴，并以分子(F1-腺嘌呤核甘三磷酸合成酵素)作为马达，而以长750nm、直径为150nm的镍作为螺旋桨。据研究人员的观察，该分子马达被浸泡至ATP溶液中后，利用生物分子细胞内的化学反应，以ATP作为能源，每秒转速可达8圈，并可连续转动2.5小时。研究人员相信，像这样的微型分子马达可作为纳米机器人或其它纳米组件零件的一部分，它的潜在应用价值是非常之大的。也许，将来利用该马达所作成的潜艇就可进入人类的血管之中，不必藉由传统的开刀方式，即可清除脑血管中的血块，清理血管壁上的沉积物质，以排除中风的危机。6.纳米生物科技-分子马达1.4微纳制造应用案例∨∧20之先进制造工艺技术先进制造系统7.纳米齿轮NanoGear此外，科学家利用苯甲基与C60的键结形成分子齿轮的雏型。因此，我们设想若能将多个分子以准确的位置键结至纳米碳管上，这样所形成的分子齿轮，将成为组成纳米机器非常有用的组件。1.4微纳制造应用案例由日本MorinobuEndo教授所领导的科技研究小组，于2002年2月初发表，利用纳米材料的组成，于现有的制作技术，已成功研制出世界上最小的齿轮。该齿轮直径仅有0.2mm，且具有良好的抗磨损、抗热、滑动特性，这无非为实现分子机器的实现又迈进了一大步。∨∧21之先进制造工艺技术先进制造系统8.原子操纵术原子操纵术可说是STM(扫描穿透显微镜)的专长，该工具具备微小且精密的操控能力。扫描穿透显微镜的主要构造部分有一根金属钨(W)至的探针针头仅有几个原子宽，探针针头仅有几个原子那么宽。探针与被观测样品并不接触，而是在其上方来回扫描，当距离很近（约10埃），针尖跟表面的偏压虽不大，但所产生的电场可不容忽视。藉由针头和样品之间电场的吸引从而把样品中的原子拉离表面，并通过针头沿着表面移动到别处。如果对这种现象善加利用，就能对单个原子进行操作，从而将它们逐个按特定结构“组装”成纳米机械。1.4微纳制造应用案例1990年美国IBM的一群科学家，首度将一颗颗氙原子在镍表面上拖曳，逐颗将37颗原子排成“IBM”三个英文字母，相当引人注目(如图)。∨∧22之先进制造工艺技术先进制造系统8.原子操纵术1.4微纳制造应用案例将一顆一顆的铁原子團,在Cu(111)表面上排列成“原子”二字。将一顆一顆的一氧化碳原子團，在Pt(111)表面上排列成人的形狀。∨∧23之先进制造工艺技术先进制造系统9.纳米材料的莲花效应1.4微纳制造应用案例∨∧24之先进制造工艺技术先进制造系统9.纳米材料的莲花效应莲花虽生长于池塘的淤泥中，但它露在水面上的莲花荷叶却出污泥而不染，美丽而洁净，它可说是运用自然的纳米科技来达成自我洁净的最佳实例。经过科学家的察研究，在1990年代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。经过电子显微镜的分析，莲花的叶面是由一层极细致的表面所组成，并非想象中的光滑。而此细致的表面的结构与粗糙度达微米至纳米尺寸的大小。叶面上布满细微的凸状物再加上表面所存在的蜡质，这使得在尺寸上远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸状物形成点的接触。液滴在自身的表面张力作用下形成球状，藉由液滴在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这样的能力胜过人类的任何清洁科技。这就是莲花纳米表面“自我洁净”的奥妙所在。1.4微纳制造应用案例∨∧25之先进制造工艺技术先进制造系统1.4微纳加工例子予独爱莲之出淤泥而不染，濯清涟而不妖，中通外直，不蔓不枝，香远益清，亭亭静植，可远观而不可亵玩焉。9.纳米材料的莲花效应∨∧