微型機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀趨勢分析
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| (發(fā)布日期：2007-7-18 14:08:20) 來源： |
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一、概念
微型機(jī)械加工或稱微型機(jī)電系統(tǒng)或微型系統(tǒng)是只可以批量制作的、集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)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(diǎn)有：體積小（特征尺寸范圍為：1μm-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(yīng)時(shí)間短；集約高技術(shù)成果，附加值高。微型機(jī)械的目的不僅僅在于縮小尺寸和體積，其目標(biāo)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(gè)新技術(shù)領(lǐng)域，形成批量化產(chǎn)業(yè)。
微型機(jī)械加工技術(shù)是指制作為機(jī)械裝置的微細(xì)加工技術(shù)。微細(xì)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(guān)的，集成電路要求在微小面積的半導(dǎo)體上能容納更多的電子元件，以形成功能復(fù)雜而完善的電路。電路微細(xì)圖案中的最小線條寬度是提高集成電路集成度的關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)志，微細(xì)加工對(duì)微電子工業(yè)而言就是一種加工尺度從微米到納米量級(jí)的制造微小尺寸元器件或薄模圖形的先進(jìn)制造技術(shù)。目前微型加工技術(shù)主要有基于從半導(dǎo)體集成電路微細(xì)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(jì)八十年代中期以后在LIGA加工（微型鑄模電鍍工藝）、準(zhǔn)LIGA加工，超微細(xì)加工、微細(xì)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(shù)等微細(xì)加工工藝方面取得相當(dāng)大的進(jìn)展。
微型機(jī)械系統(tǒng)可以完成大型機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)。微型機(jī)械與電子技術(shù)緊密結(jié)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(jià)格低廉，將廣泛地應(yīng)用于人類生活眾多領(lǐng)域。可以預(yù)料，在本世紀(jì)內(nèi)，微型機(jī)械將逐步從實(shí)驗(yàn)室走向適用化，對(duì)工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物醫(yī)療、空間、國防等領(lǐng)域的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。微細(xì)機(jī)械加工技術(shù)是微型機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)非常重要而又非常活躍的技術(shù)領(lǐng)域，其發(fā)展不僅可帶動(dòng)許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，更是與國家科技發(fā)展、經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)息息相關(guān)。微型機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展有著巨大的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。
二、國外發(fā)展現(xiàn)狀
1959年，RichardPFeynman（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，氣候開發(fā)出尺寸為50~500μm的齒輪、齒輪泵、氣動(dòng)渦輪及聯(lián)接件等微機(jī)械。1965年，斯坦福大學(xué)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(xué)伯克利分校研制出轉(zhuǎn)子直徑為60~12μm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。
微型機(jī)械在國外已受到政府部門、企業(yè)界、高等學(xué)校與研究機(jī)構(gòu)的高度重視。美國MIT、Berkeley、Stanford\\AT&T和的15名科學(xué)家在上世紀(jì)八十年代末提出"小機(jī)器、大機(jī)遇：關(guān)于新興領(lǐng)域--微動(dòng)力學(xué)的報(bào)告"的國家建議書，聲稱"由于微動(dòng)力學(xué)（微系統(tǒng)）在美國的緊迫性，應(yīng)在這樣一個(gè)新的重要技術(shù)領(lǐng)域與其他國家的競爭中走在前面"，建議中央財(cái)政預(yù)支費(fèi)用為五年5000萬美元，得到美國領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)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(diǎn)。美國宇航局投資1億美元著手研制"發(fā)現(xiàn)號(hào)微型衛(wèi)星"，美國國家科學(xué)基金會(huì)把MEMS作為一個(gè)新崛起的研究領(lǐng)域制定了資助微型電子機(jī)械系統(tǒng)的研究的計(jì)劃，從1998年開始，資助MIT，加州大學(xué)等8所大學(xué)和貝爾實(shí)驗(yàn)室從事這一領(lǐng)域的研究與開發(fā)，年資助額從100萬、200萬加到1993年的500萬美元。1994年發(fā)布的《美國國防部技術(shù)計(jì)劃》報(bào)告，把MEMS列為關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目。美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局積極領(lǐng)導(dǎo)和支持MEMS的研究和軍事應(yīng)用，現(xiàn)已建成一條MEMS標(biāo)準(zhǔn)工藝線以促進(jìn)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(yīng)變儀和加速度表等傳感器有關(guān)領(lǐng)域的研究。很多機(jī)構(gòu)參加了微型機(jī)械系統(tǒng)的研究，如康奈爾大學(xué)、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、密執(zhí)安大學(xué)、威斯康星大學(xué)、老倫茲得莫爾國家研究等。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。
日本通產(chǎn)省1991年開始啟動(dòng)一項(xiàng)為期10年、耗資250億日元的微型大型研究計(jì)劃，研制兩臺(tái)樣機(jī)，一臺(tái)用于醫(yī)療、進(jìn)入人體進(jìn)行診斷和微型手術(shù)，另一臺(tái)用于工業(yè)，對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和原子能設(shè)備的微小裂紋實(shí)施維修。該計(jì)劃有筑波大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、早稻田大學(xué)和富士通研究所等幾十家單位參加。
歐洲工業(yè)發(fā)達(dá)國家也相繼對(duì)微型系統(tǒng)的研究開發(fā)進(jìn)行了重點(diǎn)投資，德國自1988年開始微加工十年計(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，并把微系統(tǒng)列為本世紀(jì)初科技發(fā)展的重點(diǎn)，德國首創(chuàng)的LIGA工藝，為MEMS的發(fā)展提供了新的技術(shù)手段，并已成為三維結(jié)構(gòu)制作的優(yōu)選工藝。法國1993年啟動(dòng)的7000萬法郎的"微系統(tǒng)與技術(shù)"項(xiàng)目。歐共體組成"多功能微系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)NEXUS"，聯(lián)合協(xié)調(diào)46個(gè)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(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)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(xué)計(jì)劃。在機(jī)械、光學(xué)、電子學(xué)等領(lǐng)域列出8個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行研究與開發(fā)。為了加強(qiáng)歐洲開發(fā)MEMS的力量，一些歐洲公司已組成MEMS開發(fā)集團(tuán)。
目前已有大量的微型機(jī)械或微型系統(tǒng)被研究出來，例如：尖端直徑為5μm的微型鑷子可以夾起一個(gè)紅血球，尺寸為7mm×7mm×2mm的微型泵流量可達(dá)250μl/min能開動(dòng)的汽車，在磁場中飛行的機(jī)器蝴蝶，以及集微型速度計(jì)、微型陀螺和信號(hào)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(jī)構(gòu)以及微型泵、微型噴嘴、濕度、流量傳感器以及多種光學(xué)器件。美國加州理工學(xué)院在飛機(jī)翼面粘上相當(dāng)數(shù)量的1mm的微梁，控制其彎曲角度以影響飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性。美國大批量生產(chǎn)的硅加速度計(jì)把微型傳感器（機(jī)械部分）和集成電路（電信號(hào)源、放大器、信號(hào)處理和正檢正電路等）一起集成在硅片上3mm×3mm的范圍內(nèi)。日本研制的數(shù)厘米見方的微型車床可加工精度達(dá)1.5μm的微細(xì)軸。
三、國內(nèi)現(xiàn)狀
我國在科技部、國家自然基金委，教育部和總裝備部的資助下，一直在跟蹤國外的微型機(jī)械研究，積極開展MEMS的研究。現(xiàn)有的微電子設(shè)備和同步加速器為微系統(tǒng)提供了基本條件，微細(xì)驅(qū)動(dòng)器和微型機(jī)器人的開發(fā)早已列入國家863高技術(shù)計(jì)劃及攀登計(jì)劃B中。已有近40個(gè)研究小組，取得了以下一些研究成果。廣東工業(yè)大學(xué)與日本筑波大學(xué)合作，開展了生物和醫(yī)用微型機(jī)器人的研究，已研制出一維、二維聯(lián)動(dòng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，其位移范圍為10μm×10μm；位移分辨率為0.01μm，精度為0.1μm，正在研制6自由度微型機(jī)器人；長春光學(xué)精密機(jī)器研究所研制出直徑為Φ3mm的壓電電機(jī)、電磁電機(jī)、微測試儀器和微操作系統(tǒng)。上海冶金研究所研制出了微電機(jī)、多晶硅梁結(jié)構(gòu)、微泵與閥。上海交通大學(xué)研制出Φ2mm的電磁電機(jī)，南開大學(xué)開展了微型機(jī)器人控制技術(shù)的研究等。
我國有很多機(jī)構(gòu)對(duì)多種微型機(jī)械加工的方法開展了相應(yīng)的研究，已奠定了一定的加工基礎(chǔ)，能進(jìn)行硅平面加工和體硅加工、LIGA加工、微細(xì)電火花加工及立體光刻造型法加工等。
四、技術(shù)發(fā)展趨勢
微型機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展剛剛經(jīng)歷了十幾年，在加工技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)發(fā)展了一批微小器件和系統(tǒng)，顯示了巨大生命力。作為大批量生產(chǎn)的微型機(jī)械產(chǎn)品，將以其價(jià)格低廉和優(yōu)良性能贏得市場，在生物工程、化學(xué)、微分析、光學(xué)、國防、航天、工業(yè)控制、醫(yī)療、通訊及信息處理、農(nóng)業(yè)和家庭服務(wù)等領(lǐng)域有著潛在的巨大應(yīng)用前景。當(dāng)前，作為大批量生產(chǎn)的微型機(jī)械產(chǎn)品如微型壓力傳感器、微細(xì)加速度計(jì)和噴墨打印頭已經(jīng)占領(lǐng)了巨大市場。目前市場上以流體調(diào)節(jié)與控制的微機(jī)電系統(tǒng)為主，其次為壓力傳感器和慣性傳感器。1995年全球微型機(jī)械的銷售額為15億美元，有人預(yù)計(jì)到2002年，相關(guān)產(chǎn)品值將達(dá)到400億美元。顯然微型機(jī)械及其加工技術(shù)有著巨大的市場和經(jīng)濟(jì)效益。
微型機(jī)械是一門交叉科學(xué)，和它相關(guān)的每一技術(shù)的發(fā)展都會(huì)促使微型機(jī)械的發(fā)展。隨著微電子學(xué)、材料學(xué)、信息學(xué)等的不斷發(fā)展，微型機(jī)械具備了更好的發(fā)展基礎(chǔ)。由于其巨大的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益以及政府、企業(yè)的重視，微型機(jī)械發(fā)展必將有更大的飛躍。新原理、新功能、新結(jié)構(gòu)體系的微傳感器、微執(zhí)行器和系統(tǒng)將不斷出現(xiàn)，并可嵌入大的機(jī)械設(shè)備，提高自動(dòng)化和智能水平。
微型機(jī)械加工技術(shù)作為微型機(jī)械的最關(guān)鍵技術(shù)，也必將有一個(gè)大的發(fā)展。硅加工、LIGA加工和準(zhǔn)LIGA加工正向著更復(fù)雜、更高深度適合各種要求的材料特性和表面特性的微結(jié)構(gòu)以及制作不同材料特別是功能材料微結(jié)構(gòu)、更易于與電路集成的方向發(fā)展，多種加工技術(shù)結(jié)合也是其重要方向。微型機(jī)械在設(shè)計(jì)方面正向著進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)器件和系統(tǒng)的特性分析和評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方向發(fā)展，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。
我國在微型加工技術(shù)發(fā)展的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域是生物學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、航空航天、工業(yè)與國防等領(lǐng)域，建設(shè)好幾個(gè)有世界先進(jìn)水平的微型機(jī)械研究開發(fā)基地，同時(shí)亦重視微觀尺度上的新物理現(xiàn)象和新效應(yīng)的研究，加速我國微型機(jī)械的研究與開發(fā)，迎接二十一世紀(jì)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命的挑戰(zhàn)。
五、關(guān)鍵技術(shù)
微型機(jī)械是一個(gè)新興的、多學(xué)科交叉的高科技領(lǐng)域，面臨許多課題，涉及許多關(guān)鍵技術(shù)。
當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的特征尺寸達(dá)到微米級(jí)和納米級(jí)時(shí)< |
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