有關(guān)微型機(jī)械加工的發(fā)展現(xiàn)狀研究

16/16HYPERLINK"/"關(guān)于微型機(jī)械加工的進(jìn)展現(xiàn)狀研究孫曉娜（遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧阜新市123000）摘要：微型機(jī)械加工技術(shù)是21世紀(jì)核心技術(shù)之一，本文扼要介紹有關(guān)微型機(jī)械加工技術(shù)技術(shù)的基礎(chǔ)性概念，國(guó)內(nèi)外微型機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)展現(xiàn)狀及其進(jìn)展新模式和新趨勢(shì)關(guān)鍵詞：興起；微型機(jī)械；加工技術(shù)；應(yīng)用；關(guān)鍵技術(shù)；進(jìn)展現(xiàn)狀；進(jìn)展趨勢(shì)1微型機(jī)械加工技術(shù)的興起人類在面臨環(huán)境污染日益加重的情況下,提出了可持續(xù)進(jìn)展的戰(zhàn)略.該戰(zhàn)略要求建立社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)展必須與資源和環(huán)境的愛護(hù)相協(xié)調(diào)的模式.這就要求人們對(duì)環(huán)境中諸如大氣、水的理化參數(shù)等指標(biāo)的檢測(cè)手段具有先進(jìn)性、適時(shí)性和綜合性.利用微型機(jī)機(jī)械系統(tǒng)靈敏度高、可靠性好、多功能和高集成的特點(diǎn)進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)和污染評(píng)價(jià),以減少像發(fā)電機(jī)、化工廠、汽車和飛機(jī)所造成的污染是特不方便的.例如,研制集測(cè)量pH值、流量和成分分析等功能于一體的多功能傳感器就能在監(jiān)測(cè)多種污染方面發(fā)揮專門好的作用[1].人類追求美好生活的愿望越來越受到資源因素的約束,解決這一矛盾的有效途徑有兩條:一是開發(fā)利用新資源;二是充分、高效地利用現(xiàn)有資源.微型機(jī)械技術(shù)在解決這一矛盾的二個(gè)途徑上均有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì).從已研制出的靜電型微電機(jī)和壓電型微電機(jī)來看,它們分不利用靜電和超聲波來做驅(qū)動(dòng)能源.由于微型機(jī)械的能耗低、效率高,這就為人類解決資源問題“另辟蹊徑”.微型機(jī)械的出現(xiàn)為人類戰(zhàn)勝疾病提供了強(qiáng)有力的武器和手段.微型機(jī)械體積小、重量輕、能耗低,能進(jìn)入一般機(jī)械無法進(jìn)入的微小空間作業(yè),且能進(jìn)行精細(xì)操作,加之又能與微電子集成和接口,有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)并強(qiáng)化功能.例如,將微型傳感器用口服或皮下注射的方法送入人體,就能夠?qū)w油脂沉積物,可除去體中的膽固醇,可探測(cè)和清除人體內(nèi)的癌細(xì)胞.微型機(jī)械在現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)中的應(yīng)用潛力十分巨大,它為人類最終制服各種絕癥和延長(zhǎng)壽命帶來了希望.微型機(jī)械在其他領(lǐng)域同樣具有巨大的應(yīng)用潛力.在宇航中,可將全集成氣相色譜微系統(tǒng)散布在廣漠的太空,進(jìn)行星際物質(zhì)和生命起源的探測(cè);在工業(yè)中,可用大量一次性微型機(jī)器人去清除銹蝕,檢查和維修高壓容器的焊縫;在超大規(guī)模集成電路制造中,可用微型氣體精控器、微真空操作器以及微定位器等來提高兆級(jí)VLSI的加工精度制造水平;在航空器和汽車的前部裝上微型遠(yuǎn)紅外導(dǎo)航儀,就能早期發(fā)覺目標(biāo)和前方障礙;在軍事中,將微齒輪組織的“強(qiáng)鏈”微型機(jī)械用于核武器安全裝置,可幸免核武器由雷擊引起的突發(fā)事故.2微型機(jī)械加工技術(shù)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)是只能夠批量制作的、集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和操縱電路、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)。其要緊特點(diǎn)有：體積?。ㄌ卣鞒叽绶秶鸀椋?μm-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)刻短；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)，開發(fā)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)和進(jìn)展早是與大規(guī)模集成電路緊密相關(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)而言確實(shí)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)要緊有基于從半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工工藝中進(jìn)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)能夠完成大型機(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，這些微器件采納大批量集成制造，價(jià)格低廉，將廣泛地應(yīng)用于人類生活眾多領(lǐng)域。能夠預(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(guó)防等領(lǐng)域的進(jìn)展將產(chǎn)生重大阻礙。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)特不重要而又特不活躍的技術(shù)領(lǐng)域，其進(jìn)展不僅可帶動(dòng)許多相關(guān)學(xué)科的進(jìn)展，更是與國(guó)家科技進(jìn)展、經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)息息相關(guān)。微型機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)展有著巨大的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。3關(guān)鍵技術(shù)和前沿關(guān)鍵技術(shù)3.1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)，將會(huì)產(chǎn)生許多新的科學(xué)問題。例如隨著尺寸的減少，表面積與體積之比增加，表面力學(xué)、表面物理效應(yīng)將起主導(dǎo)作用，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析方法將不再適用。為摩擦學(xué)、微熱力這等問題在微系統(tǒng)中將至關(guān)重要。微系統(tǒng)尺度效應(yīng)研究將有助于微系統(tǒng)的創(chuàng)新。微型機(jī)械不是傳統(tǒng)機(jī)械直接微型化，它遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)械的概念和范疇。微型機(jī)械在尺度效應(yīng)、結(jié)構(gòu)、材料、制造方法和工作原理等方面，都與傳統(tǒng)機(jī)械截然不同。微系統(tǒng)的尺度效應(yīng)、物理特性研究、設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試研究是微系統(tǒng)領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。在微系統(tǒng)的研究工作方面，一些國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已在微小型化尺寸效應(yīng)，微細(xì)加工工藝、微型機(jī)械材料和微型結(jié)構(gòu)件、微型傳感器、微型執(zhí)行器、微型機(jī)構(gòu)測(cè)量技術(shù)、微量流體操縱和微系統(tǒng)集成操縱以及應(yīng)用等方面取得不同程度的時(shí)期性成果。微型機(jī)械加工技術(shù)是微型機(jī)械進(jìn)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，其中包括微型機(jī)械設(shè)計(jì)微細(xì)加工技術(shù)、微型機(jī)械組裝和封裝技術(shù)、為系統(tǒng)的表征和測(cè)量技術(shù)及微系統(tǒng)集成技術(shù)。3.2前沿關(guān)鍵技術(shù)（1）微系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。微系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)要緊是微結(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).微細(xì)加工技術(shù)要緊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)特種周密加工技術(shù)包括微火花加工、能束加工、立體光刻成形加工；專門材料特不是功能材料微結(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)加工新工藝探究等。（3）微型機(jī)械組裝和封裝技術(shù)。微型機(jī)械組裝和封裝技術(shù)要緊指沾接材料的粘接、硅玻璃靜電封接、硅硅鍵合技術(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)的探究。（4）微系統(tǒng)的表征和測(cè)試技術(shù).微系統(tǒng)的表征和測(cè)試技術(shù)要緊有結(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微型機(jī)械加工技術(shù)的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展現(xiàn)狀4.1國(guó)外技術(shù)現(xiàn)狀1959年,RichardP.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50~500Lm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(guó)加州大學(xué)伯克利分校研制出轉(zhuǎn)子直徑為60~12Lm的硅微型靜電機(jī),顯示出利用硅微加工工藝制作小可動(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(guó)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(guó)MIT!Berkeley!Stanford!AT&T和NSF的15名科學(xué)家在上世紀(jì)八十年代未提出/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0的國(guó)家建議書,聲稱/由于微動(dòng)力學(xué)(微系統(tǒng))在美國(guó)的緊迫性,應(yīng)在如此一個(gè)新的重要技術(shù)領(lǐng)域與其它國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)中走在前面0,建議中央財(cái)政預(yù)支費(fèi)用為五年MEMS作為科技進(jìn)展的三大重點(diǎn)"美國(guó)宇航局投資1億美元著手研制/發(fā)覺號(hào)微型衛(wèi)星0,美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)把MEMS作為一個(gè)新崛起的研究領(lǐng)域并制定了資助微型電子機(jī)械系統(tǒng)的研究的打算,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年公布的5美國(guó)國(guó)防部技術(shù)打算6報(bào)告,把MEMS列為關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目"美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究打算局積極領(lǐng)導(dǎo)和支持MEMS的研究和其軍事應(yīng)用,現(xiàn)已建筑一條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(guó)工業(yè)界要緊致力于壓力傳感器!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"專門多機(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)!勞倫茲得莫爾國(guó)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(guó)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250億日元的微型機(jī)械大型研究打算,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"該打算有筑波大學(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(guó)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(guó)自1988年開始微加工十年打算項(xiàng)目,其科技部于1990年~1993年撥款4萬馬克支持/微系統(tǒng)技術(shù)0研究,并把微系統(tǒng)列為本世紀(jì)初科技進(jìn)展的重點(diǎn),德國(guó)首創(chuàng)的LIGA工藝,為MEMS的進(jìn)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(guó)1993年啟動(dòng)的7000萬法朗的/微系統(tǒng)與技術(shù)0項(xiàng)目"歐共體組成/多功能微系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)NEXUS0,聯(lián)合協(xié)調(diào)46個(gè)研究所的研究"瑞士在其傳統(tǒng)的鐘表制造業(yè)和小型周密機(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(guó)政府也制訂了納米科學(xué)打算,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)被研究出個(gè)紅血球,尺寸為7mm@7mm@2mm的微型泵流量可達(dá)250Ll/min,能開動(dòng)的3mm大小的汽車,在磁場(chǎng)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(guó)制造了LIGA工藝,制成了懸壁梁!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(guó)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,操縱其彎曲角度以阻礙飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性"美國(guó)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)1.5Lm的微細(xì)軸"21國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀我國(guó)在科技部!國(guó)家自然科學(xué)基金委"教育部和總裝備部的資助下,一直在跟蹤國(guó)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)提供了差不多條件,微型驅(qū)動(dòng)器和微型機(jī)器人的開發(fā)早已列入國(guó)家863高技術(shù)打算及攀登打算B中"已有近40個(gè)研究小組,取得了一下些研究成果"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10Lm@10Lm;位移分辨率為0.01Lm,精度為0.1Lm,正在研制,6自由度微型機(jī)器人;長(zhǎng)春光學(xué)周密機(jī)器研究所研制出直徑為3mm的壓電電機(jī)!電磁電機(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2mm的電磁電機(jī),南開大學(xué)開展了微型機(jī)器人操縱技術(shù)的研究等"我國(guó)有專門多機(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"4.2國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀我國(guó)在科技部!國(guó)家自然科學(xué)基金委"教育部和總裝備部的資助下,一直在跟蹤國(guó)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)提供了差不多條件,微型驅(qū)動(dòng)器和微型機(jī)器人的開發(fā)早已列入國(guó)家863高技術(shù)打算及攀登打算B中"已有近40個(gè)研究小組,取得了一下些研究成果"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10Lm@10Lm;位移分辨率為0.01Lm,精度為0.1Lm,正在研制,6自由度微型機(jī)器人;長(zhǎng)春光學(xué)周密機(jī)器研究所研制出直徑為3mm的壓電電機(jī)!電磁電機(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2mm的電磁電機(jī),南開大學(xué)開展了微型機(jī)器人操縱技術(shù)的研究等"。我國(guó)有專門多機(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。5微型機(jī)械技術(shù)進(jìn)展的新模式和新趨勢(shì)微型機(jī)械與一般常規(guī)機(jī)械相比,不僅是體積的縮小,而且在工作機(jī)理、材料特性、加工技術(shù)、測(cè)量方法、操縱手段、聯(lián)系方式等方面都發(fā)生了巨大變化.因而它具有如下顯著特點(diǎn).在微型機(jī)械中,所有幾何變形都將是分子級(jí)的,如此之小應(yīng)變之間的線形關(guān)系不復(fù)存在,諸如虎克定律等宏觀領(lǐng)域中的科學(xué)定律將失去它們的指導(dǎo)意義.在宏觀機(jī)械中,通常摩擦副表現(xiàn)會(huì)受到較大壓力的作用,使材料表現(xiàn)產(chǎn)生塑性變形.但在微型機(jī)械中,由于運(yùn)動(dòng)物體質(zhì)量專門小,由此產(chǎn)生的壓力專門輕,零件表現(xiàn)變形在材料彈性范圍內(nèi),這時(shí)摩擦表面的摩擦力要緊是由表面之間的分子相互作用力引起的,而不是由載荷的壓力引起的.依照力的尺寸效應(yīng)LN可知,不同種類的力與物體尺寸有如下關(guān)系式成立:靜電力L0;表面張力L1;彈性力和粘性力L2;慣性力和電磁力L3.因此要研究微型機(jī)械的摩擦現(xiàn)象,就必須研究和探究材料表面原子和分子層的物理和化學(xué)性質(zhì),即研究“微摩擦學(xué)”或“納米摩擦學(xué)”的內(nèi)容.為制作符合使用要求的微型機(jī)械零、部件,人們要應(yīng)用各種各樣的薄膜材料.一般講來,這些薄膜的厚度在幾十納米到幾十微米之間.由于尺寸效應(yīng)的阻礙,厚度較薄的薄膜和厚度較厚的薄膜,盡管組成成分相同,但它們的力學(xué)性能和物理特性差不甚遠(yuǎn),其加工手段和制作方法也不相同,因而人們必須探究基于新原理和新工藝的特種加工技術(shù).微型機(jī)械的加工方法不同于傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式.目前在微型機(jī)械制作中一般采納硅加工技術(shù),尤以硅立體加工技術(shù)和硅表面加工技術(shù)為主.但由于硅材料結(jié)晶方向的局限性,在加工高寬深比微型結(jié)構(gòu)器件時(shí),現(xiàn)有的硅材料加工技術(shù)還不夠理想,因此,大力進(jìn)展能夠制作高寬深比器件的硅加工技術(shù)和裝備是微型機(jī)械獲得突破性進(jìn)展的關(guān)鍵.微型機(jī)械的進(jìn)展有賴于人們能夠?qū)崿F(xiàn)原子級(jí)尺寸微結(jié)構(gòu)的分辨與加工能力,即應(yīng)該具備納米級(jí)精度的檢測(cè)和操縱手段.由此就必須進(jìn)展基于新原理、新技術(shù)的檢測(cè)和操縱設(shè)備.諸如掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、摩擦力顯微鏡、表面力儀、石英晶體微天平等新儀器和新設(shè)備確實(shí)是在微型機(jī)械開發(fā)制作中的有力武器[2~4].微型機(jī)械的進(jìn)展還有賴于微型機(jī)械加工技術(shù)水平的提高.微型機(jī)械加工技術(shù)是為微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)構(gòu)和微系統(tǒng)制作微機(jī)械部件和結(jié)構(gòu)的加工技術(shù),它是在硅平面加工技術(shù)和硅立體加工技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)展起來的.微型機(jī)械加工實(shí)質(zhì)械系統(tǒng)整體.微型機(jī)械加工方式十分豐富,包括了各種現(xiàn)代特種加工和高能束加工等方式,而且微型機(jī)械制造過程又往往是多種加工方式的結(jié)合,因此它是最重要的新興技術(shù)之一.目前,常用的微型機(jī)械加工技術(shù)有以下幾種:(1)集成電路加工(IC)技術(shù).集成電路加工(IC)技術(shù)是一種進(jìn)展十分迅速且較成熟的制作大規(guī)模集成電路的加工技術(shù),在微型機(jī)械加工中使用較為普遍,它是一種平面加工技術(shù).這種技術(shù)的刻蝕深度只有數(shù)百納米,且只限于制作硅材料的零部件.由于它與集成電路有良好的相容性而得到了快速的進(jìn)展.(2)光刻技術(shù)(photolithography).光刻技術(shù)首先在基質(zhì)材料上涂覆光致抗蝕劑(光刻膠).然后利用極限分辨率極高的能量束通過掩膜對(duì)光致蝕層進(jìn)行曝光(或稱光刻).顯影后,在抗蝕劑層上可獲得與掩膜圖形相同的極微細(xì)幾何圖形.最后,再利用其他方法,便可在工件材料上制造出微型結(jié)構(gòu).目前,光刻技術(shù)中要緊采納的曝光技術(shù)有:電子束曝光技術(shù)、離子束曝光技術(shù)、X射線曝光技術(shù)和紫外準(zhǔn)分子曝光技術(shù).其中離子束曝光技術(shù)具有最高的分辨率,電子束曝光技術(shù)代表了最成熟的亞微米級(jí)曝光技術(shù),紫外準(zhǔn)分子激光曝光技術(shù)則具有最佳的經(jīng)濟(jì)性,是近年來進(jìn)展速度極快且有用性較強(qiáng)的曝光技術(shù),在大批量生產(chǎn)中保持主導(dǎo)地位.(3)光刻電鑄(LIGA)和準(zhǔn)LIGA技術(shù).LIGA技術(shù)是由德國(guó)卡爾斯魯厄核研究中心開發(fā)的一種從半導(dǎo)體光刻工藝中派生出來的加工技術(shù).其差不多思想是利用X射線光刻與犧牲層技術(shù),可在任何種類和數(shù)量的材料上形成深層的微結(jié)構(gòu).準(zhǔn)LIGA技術(shù)是對(duì)LIGA技術(shù)的改進(jìn),使其更加有用化.LIGA和準(zhǔn)LIGA技術(shù)把微型機(jī)械技術(shù)朝有用化方向推進(jìn)了一大步,它已成為立體微型機(jī)械的重要制造手段之一.利用它能夠制造出微傳感器、微驅(qū)動(dòng)器、微馬達(dá)、微機(jī)械零件和微光學(xué)元件等產(chǎn)品.LIGA技術(shù)的機(jī)理是由深層X射線光刻、電鑄成型及注塑成型三個(gè)工藝組成,其要緊工藝過程由X光光刻掩膜板的制作、X光深光刻、光刻膠顯影、電鑄成模、光刻膠剝離、塑模制作及塑模脫模成型組成.LIGA技術(shù)使用波長(zhǎng)為0.2~1nm的X光,可刻蝕至數(shù)百微米深度,刻線寬度十光設(shè)備,而且與集成電路工藝的相容性不理想,因此在LIGA技術(shù)出現(xiàn)之后,專門快又出現(xiàn)了一種也采納金屬電鍍技術(shù),但不需要同步輻射X光的準(zhǔn)LIGA技術(shù).LIGA技術(shù)和準(zhǔn)LIGA技術(shù)的共同特點(diǎn)是應(yīng)用電鍍金屬層材料來制作微機(jī)械結(jié)構(gòu),因此也統(tǒng)稱為金屬電鍍技術(shù).但由于準(zhǔn)LIGA技術(shù)要求的設(shè)備條件要低得多,它與集成電路的相容性也要好得多,因此具有更高的靈活性和更大的有用性.因此目前對(duì)準(zhǔn)LIGA技術(shù)的研究比對(duì)LIGA技術(shù)的研究要廣泛得多.(4)腐蝕成型技術(shù).腐蝕成型技術(shù)是微型機(jī)械深層次加工的要緊途徑,一般是先將光刻后的硅體用腐蝕劑白蝕,脫去犧牲層而留下加工層,再制作工件并經(jīng)清洗后得到成品.腐蝕法有濕法與干法兩種,濕法又分溶液法和陽極法,干法又分離子法和激光法.其中溶液法由于使用簡(jiǎn)單,成本低,工藝效果好,加工范圍寬而備受青睞.溶液腐蝕法常用的腐蝕劑有EDP,KOH,H2N2三種.按比例、溫度操縱腐蝕速度,生成掩膜SiO2或Si3N4,以滿足硅體浸蝕的選擇性、掩蔽性、各向異性和超周密、高水準(zhǔn)的專門要求.而激光腐蝕法通過輻射劑量調(diào)節(jié),幾乎任何形狀的微型機(jī)械構(gòu)件都能由此腐蝕加工出來,這是其他方法所望塵莫及的.腐蝕成型工藝有一個(gè)共同特點(diǎn),立即掩膜上的圖形直接轉(zhuǎn)換到硅片上,蝕刻出微細(xì)的圖形.這和常用化學(xué)蝕刻工藝相比,工序減少到只有原來的16,生產(chǎn)成本降低到原來的110,而且不易損傷圖形,圖形輪廓光潔,線寬達(dá)0.5Lm,理論上可達(dá)到0.125Lm,特不適合于類似超大規(guī)模集成電路之類的圖形制作.(5)鍵合技術(shù).硅-硅直接鍵合的要緊研究方向一是降低鍵合的溫度,二是改進(jìn)通過硅-硅直接鍵合形成表面薄的SOI層的技術(shù).前者,上海冶金研究所已實(shí)現(xiàn)了150℃以下的低溫鍵合,后者,現(xiàn)已出現(xiàn)了一種被稱為SmartCut的技術(shù).這種技術(shù)是先在一硅片的表面用離子注入的方