微机械制造技术及应用.doc

微机械制造技术及应用摘要：介绍了微机械的制造技术和应用实例，并透视了微机械的市场前景。 一、对微机械的认识随着超精加工、精细加工和硅集成电路技术的不断提高，微机械制造技术迅速发展，应用越来越广泛。尽管日前微机械有很多名称，但所指的都是同一领域对微型机械的尺寸，世界上并没有统的标准。日本的些人十所作的划分是：1100mm为“小型机械”; 10m10m为“微型机械”; 10nm10m为“纳米机械或分子机械”。一股统称为微型机械。美国最早研究并试制成功微机械，在微机械的基础研究与产品开发方面都处于世界领先。微机械在美国通常被称为微型机电系统MEMS(Micro Electric Mechanical System)。日本称之为微型机械(Micromachine) ，欧洲称之为微型系统(Microsystem)。美国所说的MEMS侧重于用集成电路可兼容技术加工元器件，把微电子和微机械集成在一起，或者说它是把微机构及其致动器、控制器、传感器、信号处理以及接口、通讯和电源等集成在一个微小的空间内，发挥机械功能的集成型机电一体化系统。MEMS并不是传统机械电子的直接微型化，而是在物质结构、尺度、材料、制造工艺和工作原理等方面都远远超出了传统机械电子的概念和范畴。广义的微机械除了包含MEMS之外，还应包括微缩后的传统机械，如微型机床、微型汽车、微型飞机等。微机械日益受到人们关注，是因为具有诱人的特点：体积小、重量轻、结构坚固、精度高；能耗小、响应快、灵敏度高；性能稳定、可靠、一致性好；多功能化和智能化，既能感知又能控制环境；适于大批量生产，成本低廉；而易于更换和设备维修。二、微机械的制造技术自上世纪80 年代中期微静电电机研制成功以米，微机械的制造技术迅速发展，制造工艺向多样化、实用化、低成本方向发展，下面介绍几种典型的微机械的制造工艺。1 小型机械的制造技术这种微机械的尺寸在1100mm之间，可以看成是传统机械的微缩。它们大都结构复杂、运动也复杂。般是用传统的工艺(切削加工、特种加工)制造，即用小型精密金属切削机床及电火花、线切割机床加工，制作毫米左右的微型机械零件，是一种三维立体加工技术。其特点是加工材料广泛，但是多半是单件加工和装配，因而费用高。目前己用这种方法制造出能开动的3mm长的小汽车和花生米大的微型飞机。2 微型机械制造技术这种微机械的尺寸在10m1mm之间，其制造技术有以下几种：硅微机械制造技术这是一种以硅为材料制造微机械的方法，它有两个分支：集成电路(IC)技术超大规模集成电路中的各种光刻工艺是微机械制造中的一种主要手段。它是利用物理层蚀刻工艺，在硅片上通过淀积、光刻与蚀刻的巧妙结合制作微型机电系统或元件。但是由于刻蚀深度浅，只有几百纳米，微结构陡直性差，仅适用于二维结构和深宽比很小的三维结构。此外，IC工艺仅适用于硅材料加工。由于硅材料的方向性，这种制作仪限于平面工艺，而对于深宽比较大的微结构和其他材料的元件，这种工艺就无能为力了目前应用这种方法制造的微机械有微型齿轮、微型马达、带有振动片的压力传感器、加速度计和陀螺等。腐蚀成型技术腐蚀成型技术的特点是在基片上生成一个叫做“牺牲层”的SiO2层。蚀刻后再将其溶解、清洗掉。腐蚀成型技术有湿法和干法两种，湿法又分溶液法和阳极法，干法又分离子法和激光法。其中溶液法由于使用简单、成本低、工艺效果好、加工范围宽而倍受青睐，而激光腐蚀法通过辐射剂量调节，能腐蚀加工几乎任何形状的微型机构，这是其他方法所不能比拟的腐蚀成型技术与IC技术相比，所制造的MEMS更小、更复杂和更精密，结构高度可在20m以内，加工材料的范围也更加广泛。硅微机械制造技术的最大优点是利用了已有的集成电路生产线，电子电路能以微机械结构的形式与机械结构制作在同一芯片上，因而生产率高，成本低廉，这种结构又称为片式结构。光刻电铸技术光刻电铸技术又可分为LlGA技术和准LIGA技术。德国卡尔斯鲁厄和研究中心微机构研究所发展了一种技术LIGA(Lithographie Galvanoforming Abfovmung)技术该技术包括三个工艺过程：深层同步辐射X射线光刻、电铸和模铸成型。这项技术是从半导体光刻工艺派生出来的，其主要工艺过程由X光光刻掩膜板的制作、X光深光刻、光刻胶显影、电铸成模、光刻胶剥离塑胶制作及塑胶脱模成型等组成。这种技术使用X光可以刻蚀微机构的纵向尺寸大于50m, 横向尺寸小于0.5m，纵横比高达1000:1，垂直度小于0.2m，刻蚀深度可达数百微米，刻线宽度几百纳米，是种高深宽比的三维加工技术，可以进行三维任意方向儿何形状微结构的制作。但LIGA技术需要同步加速器这样昂贵的X射线源，技术复杂且与IC工艺不完全兼容，因此产品成本高，目前难以形成产业。降低制造成本的途径有两种，一是用LIGA技术制造的模具和铸模大量生< 本文作者:胜利石油学校 于云霞 哈尔滨工业大学威海校区 贾宝贤 陆富荣原载:机械制造2002年第9期