微型機械加工技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢及其關鍵技術

1、微型機械加工技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢及其關鍵技術-微型機械加工技術概念微型機械加工或稱微型機電系統(tǒng)或微型系統(tǒng)是只可以批量制作的、集 微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、甚至 外圍接口、通訊電路和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。其主要特點 有：體積?。ㄌ卣鞒叽绶秶鸀椋?m-10mm ）、重量輕、耗能低、性能 穩(wěn)定；有利于大批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本；慣性小、諧振頻率高、響 應時間短；集約高技術成果，附加值高。微型機械的目的不僅僅在于 縮小尺寸和體積， 其目標更在于通過微型化、 集成化、來搜索新原理、 新功能的元件和系統(tǒng)，開辟一個新技術領域，形成批量化產(chǎn)業(yè)。 微型機械加工技術是指制作為機械

2、裝置的微細加工技術。微細加工的 出現(xiàn)和發(fā)展早是與大規(guī)模集成電路密切相關的，集成電路要求在微小 面積的半導體上能容納更多的電子元件，以形成功能復雜而完善的電 路。電路微細圖案中的最小線條寬度是提高集成電路集成度的關鍵技 術標志，微細加工對微電子工業(yè)而言就是一種加工尺度從微米到納米 量級的制造微小尺寸元器件或薄模圖形的先進制造技術。目前微型加 工技術主要有基于從半導體集成電路微細加工工藝中發(fā)展起來的硅平 面加工和體加工工藝，上世紀八十年代中期以后在LIGA加工（微型鑄模電鍍工藝）、準LIGA加工，超微細加工、微細電火花加工（EDM）、 等離子束加工、電子束加工、快速原型制造（ RPM）以及鍵合技術

3、等 微細加工工藝方面取得相當大的進展。微型機械系統(tǒng)可以完成大型機電系統(tǒng)所不能完成的任務。微型機械與 電子技術緊密結合，將使種類繁多的微型器件問世，這些微器件采用大批量集成制造，價格低廉，將廣泛地應用于人類生活眾多領域?？梢灶A料，在本世紀內，微型機械將逐步從實驗室走向適用化，對工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物醫(yī)療、空間、國防等領域的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。微細機械加工技術是微型機械技術領域的一個非常重要而又非?；钴S的技術領域，其發(fā)展不僅可帶動許多相關學科的發(fā)展，更是與國 家科技發(fā)展、經(jīng)濟和國防建設息息相關。微型機械加工技術的發(fā)展有 著巨大的產(chǎn)業(yè)化應用前景。-微型機械加工技術的國外發(fā)展現(xiàn)狀1959年，Rich

4、ardPFeynman（ 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，氣候開發(fā)出尺 寸為50500 m的齒輪、齒輪泵、氣動渦輪及聯(lián)接件等微機械。1965年，斯坦福大學研制出硅腦電極探針，后來又在掃描隧道顯微鏡、微 型傳感器方面取得成功。 1987 年美國加州大學伯克利分校研制出轉子 直徑為6012 am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。微型機械在國外已受到政府部門、企業(yè)界、高等學校與研究機構的高 度重視。美國 MIT、Berkeley、StanfordAT&T和的1

5、5名科學家在 上世紀八十年代末提出 "小機器、大機遇：關于新興領域 -微動力學的 報告"的國家建議書，聲稱 "由于微動力學（微系統(tǒng)）在美國的緊迫性，應在這樣一個新的重要技術領域與其他國家的競爭中走在前面" ，建議中央財政預支費用為五年 5000 萬美元，得到美國領導機構重視，連續(xù) 大力投資，并把航空航天、信息和 MEMS 作為科技發(fā)展的三大重點。 美國宇航局投資 1 億美元著手研制 "發(fā)現(xiàn)號微型衛(wèi)星 "，美國國家科學基 金會把 MEMS 作為一個新崛起的研究領域制定了資助微型電子機械系 統(tǒng)的研究的計劃，從1998年開始，資助MIT,加

6、州大學等8所大學和 貝爾實驗室從事這一領域的研究與開發(fā)， 年資助額從 1 00萬、200萬加 到 1993年的 500萬美元。1994年發(fā)布的美國國防部技術計劃報告， 把 MEMS 列為關鍵技術項目。美國國防部高級研究計劃局積極領導和 支持MEMS的研究和軍事應用，現(xiàn)已建成一條 MEMS標準工藝線以促 進新型元件 /裝置的研究與開發(fā)。美國工業(yè)主要致力于傳感器、位移傳 感器、應變儀和加速度表等傳感器有關領域的研究。很多機構參加了 微型機械系統(tǒng)的研究，如康奈爾大學、斯坦福大學、加州大學伯克利 分校、密執(zhí)安大學、威斯康星大學、老倫茲得莫爾國家研究等。加州 大學伯克利傳感器和執(zhí)行器中心（BSAC得到國

7、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。 日本通產(chǎn)省 1991 年開始啟動一項為期 10 年、耗資 250 億日元的微型 大型研究計劃，研制兩臺樣機，一臺用于醫(yī)療、進入人體進行診斷和 微型手術，另一臺用于工業(yè)，對飛機發(fā)動機和原子能設備的微小裂紋 實施維修。該計劃有筑波大學、東京工業(yè)大學、東北大學、早稻田大 學和富士通研究所等幾十家單位參加。歐洲工業(yè)發(fā)達國家也相繼對微型系統(tǒng)的研究開發(fā)進行了重點投資，德國自1988年開始微加工十年計劃項目，其科技部于 19901993年撥 款 4 萬馬克支持 " 微系統(tǒng)計劃 "研究，并把微系統(tǒng)列為

8、本世紀初科技發(fā)展 的重點，德國首創(chuàng)的LIGA工藝，為MEMS的發(fā)展提供了新的技術手段， 并已成為三維結構制作的優(yōu)選工藝。法國 1993年啟動的 7000萬法郎 的"微系統(tǒng)與技術 "項目。歐共體組成 "多功能微系統(tǒng)研究網(wǎng)絡 NEXUS，" 聯(lián)合協(xié)調 46 個研究所的研究。 瑞士在其傳統(tǒng)的鐘表制造行業(yè)和小型精 密機械工業(yè)的基礎上也投入了 MEMS的開發(fā)工作，1992年投資為1000 萬美元。英國政府也制訂了納米科學計劃。在機械、光學、電子學等 領域列出8個項目進行研究與開發(fā)。為了加強歐洲開發(fā)MEMS的力量， 一些歐洲公司已組成 MEMS開發(fā)集團。目前已有大量

9、的微型機械或微型系統(tǒng)被研究出來，例如：尖端直徑為5 m的微型鑷子可以夾起一個紅血球，尺寸為 7mm< 7mmK 2mm的微 型泵流量可達250卩l(xiāng)/min能開動的汽車，在磁場中飛行的機器蝴蝶，以 及集微型速度計、微型陀螺和信號處理系統(tǒng)為一體的微型慣性組合（MIMU ）。德國創(chuàng)造了 LIGA工藝，制成了懸臂梁、執(zhí)行機構以及微型 泵、微型噴嘴、濕度、流量傳感器以及多種光學器件。美國加州理工 學院在飛機翼面粘上相當數(shù)量的1mm的微梁，控制其彎曲角度以影響 飛機的空氣動力學特性。美國大批量生產(chǎn)的硅加速度計把微型傳感器（機械部分）和集成電路（電信號源、放大器、信號處理和正檢正電路等）一起集成在硅片

10、上 3mrhc3mm的范圍內。日本研制的數(shù)厘米見方的微型車床可加工精度達1.5 m勺微細軸-微型機械加工技術概念 微型機械加工或稱微型機電系統(tǒng)或微型系統(tǒng)是只可以批量制作的、集 微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、甚至 外圍接口、通訊電路和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。其主要特點 有：體積?。ㄌ卣鞒叽绶秶鸀椋簂mlOmm ）、重量輕、耗能低、性能 穩(wěn)定；有利于大批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本；慣性小、諧振頻率高、響 應時間短；集約高技術成果，附加值高。微型機械的目的不僅僅在于 縮小尺寸和體積， 其目標更在于通過微型化、 集成化、來搜索新原理、 新功能的元件和系統(tǒng)，開辟一個新技術領域，

11、形成批量化產(chǎn)業(yè)。微型機械加工技術是指制作為機械裝置的微細加工技術。微細加工的 出現(xiàn)和發(fā)展早是與大規(guī)模集成電路密切相關的，集成電路要求在微小 面積的半導體上能容納更多的電子元件，以形成功能復雜而完善的電 路。電路微細圖案中的最小線條寬度是提高集成電路集成度的關鍵技 術標志，微細加工對微電子工業(yè)而言就是一種加工尺度從微米到納米 量級的制造微小尺寸元器件或薄模圖形的先進制造技術。目前微型加 工技術主要有基于從半導體集成電路微細加工工藝中發(fā)展起來的硅平 面加工和體加工工藝，上世紀八十年代中期以后在LIGA加工（微型鑄模電鍍工藝）、準LIGA加工，超微細加工、微細電火花加工（EDM）、 等離子束加工、電

12、子束加工、快速原型制造（RPM）以及鍵合技術等 微細加工工藝方面取得相當大的進展。微型機械系統(tǒng)可以完成大型機電系統(tǒng)所不能完成的任務。微型機械與 電子技術緊密結合，將使種類繁多的微型器件問世，這些微器件采用 大批量集成制造，價格低廉，將廣泛地應用于人類生活眾多領域?？?以預料，在本世紀內，微型機械將逐步從實驗室走向適用化，對工農(nóng) 業(yè)、信息、環(huán)境、生物醫(yī)療、空間、國防等領域的發(fā)展將產(chǎn)生重大影 響。微細機械加工技術是微型機械技術領域的一個非常重要而又非常 活躍的技術領域，其發(fā)展不僅可帶動許多相關學科的發(fā)展，更是與國 家科技發(fā)展、經(jīng)濟和國防建設息息相關。微型機械加工技術的發(fā)展有 著巨大的產(chǎn)業(yè)化應用前景

13、。-微型機械加工技術的國外發(fā)展現(xiàn)狀1959年，RichardPFeynman（ 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，氣候開發(fā)出尺 寸為50500 m的齒輪、齒輪泵、氣動渦輪及聯(lián)接件等微機械。1965年，斯坦福大學研制出硅腦電極探針，后來又在掃描隧道顯微鏡、微 型傳感器方面取得成功。 1987 年美國加州大學伯克利分校研制出轉子 直徑為6012 am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。微型機械在國外已受到政府部門、企業(yè)界、高等學校與研究機構的高 度重視。美國 MIT、Berkeley、StanfordAT&amp;T和的15名科學家在 上世紀八十年代末提出 "小機器、大機遇：關于新興領域 -微動力學的 報告 "的國家建議書，聲稱 "由于微動力學（微系統(tǒng)）在美國的緊迫性， 應在這樣一個新的重要技術領域與其他國家的競爭中走在前面 " ，建議 中央財政預支費用為五年 5000 萬美元，得到美國領導機構重視，連續(xù) 大力投資，并把航空航天、信息和 MEMS 作為科技發(fā)展的三大重點。 美國宇航局投資 1 億美元著手研制 "發(fā)現(xiàn)號微型衛(wèi)星 "，美國國家科學基 金會把 MEM