劉冬梅，夏景攀

（1.信陽高級(jí)技工學(xué)校，河南 信陽 464000；2.河南工業(yè)技師學(xué)院，河南 鄭州 450007）

微機(jī)械與微細(xì)加工技術(shù)

劉冬梅1，夏景攀2

（1.信陽高級(jí)技工學(xué)校，河南 信陽 464000；2.河南工業(yè)技師學(xué)院，河南 鄭州 450007）

通過對(duì)微機(jī)械和微細(xì)技工技術(shù)概念、特點(diǎn)，國內(nèi)外發(fā)展情況以及微細(xì)加工部分工藝的描述、微機(jī)械的運(yùn)用等，認(rèn)識(shí)和了解國家在微細(xì)加工技術(shù)上的長(zhǎng)處和不足，促進(jìn)我國微細(xì)加工行業(yè)的發(fā)展。

微機(jī)械；微細(xì)加工；先進(jìn)制造技術(shù)

微細(xì)加工技術(shù)是精密加工技術(shù)的一個(gè)分支，面向微細(xì)加工的電加工技術(shù)，激光微孔加工、水射流微細(xì)切割技術(shù)等在發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)，振興我國國防事業(yè)等方面都有非常重要的意義。這一領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)未來的國民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)等將產(chǎn)生巨大的影響，先進(jìn)國家紛紛將之列為未來關(guān)鍵技術(shù)之一并擴(kuò)大投資和加強(qiáng)基礎(chǔ)研究與開發(fā)。

1 微機(jī)械的概念

微機(jī)械是指集成了微電子和微機(jī)械（或光學(xué)、化學(xué)、生物等方面微元件）的系統(tǒng)。它以微米尺度理論為基礎(chǔ)，用批量化的微電子技術(shù)和三維加工技術(shù)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(jī)械，1μm～1mm的微機(jī)械，1nm～1μm的納米機(jī)械。

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

微型機(jī)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(shí)他還具有內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之間不是線性關(guān)系、運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量小，產(chǎn)生的壓力很小、材料性能發(fā)生本質(zhì)變化等特征。同時(shí)由于微機(jī)械具有體積小、功能強(qiáng)；可批量制造；微小化——應(yīng)用光學(xué)圖像的方法，可以制作出相當(dāng)小且精確的機(jī)械組件；精密——微機(jī)械技術(shù)的制作過程相當(dāng)精確；機(jī)械組件與電子組件可整合在同一硅芯片上等特點(diǎn)。使其在出現(xiàn)只不過短短10年左右的時(shí)間，已成為一個(gè)新興的、邊緣性的高技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域。

2 微機(jī)械國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1959年，Richard P Feynman（1965年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者）就提出了微型機(jī)械的設(shè)想。1962年第一個(gè)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(dòng)渦輪及聯(lián)接件等微機(jī)械。1987年美國加州大學(xué)伯克利分校研制出轉(zhuǎn)子直徑為60μm～12μm的利用硅微型靜電機(jī)，顯示出利用硅微加工工藝制造小可動(dòng)結(jié)構(gòu)并與集成電路兼容以制造微小系統(tǒng)的潛力。加州大學(xué)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(shí)驗(yàn)室。1988年德國開始微加工十年計(jì)劃項(xiàng)目，其科技部于1990～1993年撥款4萬馬克支持“微系統(tǒng)計(jì)劃”研究。1991年日本通產(chǎn)省開始啟動(dòng)一項(xiàng)為期10年、耗資250億日元的微型大型研究計(jì)劃。在國內(nèi)微機(jī)械研究同樣取得了一些成績(jī)。廣東工業(yè)大學(xué)與日本駐波大學(xué)合作研制出一維、二維聯(lián)動(dòng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，位移范圍為10μm×10μm；位移分辨率為0.01μm，精度為0.1μm。長(zhǎng)春光學(xué)精密儀器研究所研制出直徑為3mm的壓電電動(dòng)機(jī)、電磁電動(dòng)機(jī)、微測(cè)試儀器和微操作系統(tǒng)。上海冶金研究所研制出微電動(dòng)機(jī)、多晶硅梁結(jié)構(gòu)、微泵與閥。上海交通大學(xué)研制出直徑為2mm的電磁電動(dòng)機(jī)。

3 微細(xì)加工的關(guān)鍵技術(shù)

（1）微系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要是微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫、有限元和邊界分析、CAD/CAM仿真和擬實(shí)技術(shù)、微系統(tǒng)建模等，微小型化的尺寸效應(yīng)和微小型理論基礎(chǔ)研究也是設(shè)計(jì)研究不可缺少的課題，如：力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)表面效應(yīng)、微觀摩擦機(jī)理、熱傳導(dǎo)、誤差效應(yīng)和微構(gòu)件材料性能等。

（2）微細(xì)加工技術(shù)。主要指高深度比多層微結(jié)構(gòu)的硅表面加工和體加工技術(shù)，利用X射線光刻、電鑄的LIGA和利用紫外線的準(zhǔn)LIGA加工技術(shù)；微結(jié)構(gòu)特種精密加工技術(shù)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(jié)構(gòu)的加工技術(shù)；多種加工方法的結(jié)合；微系統(tǒng)的集成技術(shù)；微細(xì)加工新工藝探索等。

（3）微型機(jī)械組裝和封裝技術(shù)。主要指沾接材料的粘接、硅玻璃靜電封接、硅鍵合技術(shù)和自對(duì)準(zhǔn)組裝技術(shù)，具有三維可動(dòng)部件的封裝技術(shù)、真空封裝技術(shù)等新封裝技術(shù)的探索。

（4）微系統(tǒng)的表征和測(cè)試技術(shù)。主要有結(jié)構(gòu)材料特性測(cè)試技術(shù)，微小力學(xué)、電學(xué)等物理量的測(cè)量技術(shù)，微型器件和微型系統(tǒng)性能的表征和測(cè)試技術(shù)，微型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試技術(shù)，微型器件和微型系統(tǒng)可靠性的測(cè)量與評(píng)價(jià)技術(shù)。

4 微細(xì)加工工藝

微細(xì)加工工藝包括電子束加工技術(shù)、離子束加工技術(shù)、激光束加工、光刻技工技術(shù)、刻蝕加工技術(shù)、LIGA技術(shù)、犧牲層技術(shù)、外延生長(zhǎng)技術(shù)等。

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

（2）光刻電鑄技術(shù)（LIGA）。LIGA是德文Lithographie，Galanoformung和Abformung三個(gè)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(shù)的MEMS加工技術(shù)，主要包括X光深度同步輻射光刻，電鑄制模和注模復(fù)制三個(gè)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(shí)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(diǎn)，使其具有可制造較大高寬比的結(jié)構(gòu)（由于X射線有非常高的平行度、極強(qiáng)的輻射強(qiáng)度、連續(xù)的光譜，波長(zhǎng)短，穿透力強(qiáng)）；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(jié)構(gòu)，且加工精度高；可重復(fù)復(fù)制，符合工業(yè)上大批量生產(chǎn)要求，制造成本相對(duì)較低等特點(diǎn)。

5 微細(xì)加工技術(shù)的應(yīng)用

微型機(jī)械質(zhì)量輕、體積小、高智能，可以代替大型機(jī)器人或完成機(jī)器人無法完成的收集信息、智能操作等活動(dòng)。在醫(yī)療領(lǐng)域，其載入CCD相機(jī)和微型光纖檢查器官；工業(yè)領(lǐng)域，其對(duì)危險(xiǎn)或人無法到達(dá)場(chǎng)所的設(shè)施進(jìn)行巡查、維修；生物領(lǐng)域，進(jìn)行細(xì)胞解剖、合成、移植；航海海洋領(lǐng)域，利用群體機(jī)器人咀嚼輪船底部貝類和苔蘚；農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，利用成千上萬個(gè)微型機(jī)器人，制服各種害蟲；軍事領(lǐng)域，浮海機(jī)器人監(jiān)視海底動(dòng)靜發(fā)送信號(hào)。

加州大學(xué)伯克利分校的學(xué)者花了三年時(shí)間，研究自然界昆蟲的特別飛行方式，并根據(jù)非穩(wěn)定速度模式的氣動(dòng)學(xué)原理，制造了只有25mm寬的微型機(jī)械昆蟲。機(jī)械昆蟲有類似同類生物的靈活胸腔結(jié)構(gòu)，并在其中置有壓電致動(dòng)器，可作有力及高頻率的振翅動(dòng)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(dòng)不停的飛翔。

6 結(jié)語

微細(xì)加工作為精密和超精密加工的一個(gè)分支，在國防和眾多領(lǐng)域都顯示了它本身的重要性，我國在這一領(lǐng)域的發(fā)展還存在著嚴(yán)重的不足。為使我國的科技實(shí)力、國防實(shí)力以及經(jīng)濟(jì)實(shí)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(lǐng)域的技術(shù)，不斷改善和完善技術(shù)工藝，使國家在這一領(lǐng)域走到世界的前沿。同時(shí)作為一個(gè)新興行業(yè)，微細(xì)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(xué)領(lǐng)域的新局面，攀上科技的高峰。

［1］賓鴻贊.先進(jìn)制造技術(shù)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

［2］宋庭新.先進(jìn)制造技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2014.

［3］王隆太.先進(jìn)制造技術(shù)［D］.揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2015.

［4］苑偉政.微機(jī)械與微細(xì)加工［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，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(lǐng)域：機(jī)械工程、先進(jìn)制造技術(shù)及模式。