微机械与微细加工技术

刘冬梅，夏景攀

（1.信阳高级技工学校，河南 信阳 464000；2.河南工业技师学院，河南 郑州 450007）

微机械与微细加工技术

刘冬梅1，夏景攀2

（1.信阳高级技工学校，河南 信阳 464000；2.河南工业技师学院，河南 郑州 450007）

通过对微机械和微细技工技术概念、特点，国内外发展情况以及微细加工部分工艺的描述、微机械的运用等，认识和了解国家在微细加工技术上的长处和不足，促进我国微细加工行业的发展。

微机械；微细加工；先进制造技术

微细加工技术是精密加工技术的一个分支，面向微细加工的电加工技术，激光微孔加工、水射流微细切割技术等在发展国民经济，振兴我国国防事业等方面都有非常重要的意义。这一领域的发展对未来的国民经济、科学技术等将产生巨大的影响，先进国家纷纷将之列为未来关键技术之一并扩大投资和加强基础研究与开发。

1 微机械的概念

微机械是指集成了微电子和微机械（或光学、化学、生物等方面微元件）的系统。它以微米尺度理论为基础，用批量化的微电子技术和三维加工技术来完成信息获取、处理及执行等功能。微系统按特征尺寸范围可分为三类：1mm～10mm的微小机械，1μm～1mm的微机械，1nm～1μm的纳米机械。

微型机械在美国常称为微型机电系统MEMS（MicroElectro Mechanical System）；在日本称为微机械（Micromachine）；欧洲则称为微系统（Micro-System）。

微型机械所具有的最明显特征是由于几何尺寸的微型化，表面积与体积之比将变大。同时他还具有内应力与应变之间不是线性关系、运动部件质量小，产生的压力很小、材料性能发生本质变化等特征。同时由于微机械具有体积小、功能强；可批量制造；微小化——应用光学图像的方法，可以制作出相当小且精确的机械组件；精密——微机械技术的制作过程相当精确；机械组件与电子组件可整合在同一硅芯片上等特点。使其在出现只不过短短10年左右的时间，已成为一个新兴的、边缘性的高技术学科领域。

2 微机械国内外发展现状

1959年，Richard P Feynman（1965年诺贝尔物理奖获得者）就提出了微型机械的设想。1962年第一个硅微型压力传感器问世，其后开发出尺寸为50μm～500μm的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接件等微机械。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60μm～12μm的利用硅微型静电机，显示出利用硅微加工工艺制造小可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力。加州大学伯克利传感器和执行器中心（BSAC）得到国防部和十几家公司资助1500万元后，建立了1115m2研究开发MEMS的超净实验室。1988年德国开始微加工十年计划项目，其科技部于1990～1993年拨款4万马克支持“微系统计划”研究。1991年日本通产省开始启动一项为期10年、耗资250亿日元的微型大型研究计划。在国内微机械研究同样取得了一些成绩。广东工业大学与日本驻波大学合作研制出一维、二维联动压电陶瓷驱动器，位移范围为10μm×10μm；位移分辨率为0.01μm，精度为0.1μm。长春光学精密仪器研究所研制出直径为3mm的压电电动机、电磁电动机、微测试仪器和微操作系统。上海冶金研究所研制出微电动机、多晶硅梁结构、微泵与阀。上海交通大学研制出直径为2mm的电磁电动机。

3 微细加工的关键技术

（1）微系统设计。主要是微结构设计数据库、有限元和边界分析、CAD/CAM仿真和拟实技术、微系统建模等，微小型化的尺寸效应和微小型理论基础研究也是设计研究不可缺少的课题，如：力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件材料性能等。

（2）微细加工技术。主要指高深度比多层微结构的硅表面加工和体加工技术，利用X射线光刻、电铸的LIGA和利用紫外线的准LIGA加工技术；微结构特种精密加工技术包括微火花加工、能束加工、立体光刻成型加工；特殊材料特别是功能材料微结构的加工技术；多种加工方法的结合；微系统的集成技术；微细加工新工艺探索等。

（3）微型机械组装和封装技术。主要指沾接材料的粘接、硅玻璃静电封接、硅键合技术和自对准组装技术，具有三维可动部件的封装技术、真空封装技术等新封装技术的探索。

（4）微系统的表征和测试技术。主要有结构材料特性测试技术，微小力学、电学等物理量的测量技术，微型器件和微型系统性能的表征和测试技术，微型系统动态特性测试技术，微型器件和微型系统可靠性的测量与评价技术。

4 微细加工工艺

微细加工工艺包括电子束加工技术、离子束加工技术、激光束加工、光刻技工技术、刻蚀加工技术、LIGA技术、牺牲层技术、外延生长技术等。

（1）微蚀刻加工技术。硅平面技术衍生，可批量制作、预组装及容易与微电子电路集成的技术特点，适宜微型传感器制作。

（2）光刻电铸技术（LIGA）。LIGA是德文Lithographie，Galanoformung和Abformung三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写。LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术，主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。①采用深层同步辐射光刻，涂覆光致抗蚀剂，X射线曝光蚀刻出图形；②电铸，以曝光蚀刻的图形实体作为电铸用胎模，用电沉积法在胎模上沉积金属，生成微铸件；③注射成形，以微铸件为模具，即可加工所要求的微零件。LIGA的工艺特点，使其具有可制造较大高宽比的结构（由于X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，波长短，穿透力强）；取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等；可制作任意截面形状图形结构，且加工精度高；可重复复制，符合工业上大批量生产要求，制造成本相对较低等特点。

5 微细加工技术的应用

微型机械质量轻、体积小、高智能，可以代替大型机器人或完成机器人无法完成的收集信息、智能操作等活动。在医疗领域，其载入CCD相机和微型光纤检查器官；工业领域，其对危险或人无法到达场所的设施进行巡查、维修；生物领域，进行细胞解剖、合成、移植；航海海洋领域，利用群体机器人咀嚼轮船底部贝类和苔藓；农业领域，利用成千上万个微型机器人，制服各种害虫；军事领域，浮海机器人监视海底动静发送信号。

加州大学伯克利分校的学者花了三年时间，研究自然界昆虫的特别飞行方式，并根据非稳定速度模式的气动学原理，制造了只有25mm宽的微型机械昆虫。机械昆虫有类似同类生物的灵活胸腔结构，并在其中置有压电致动器，可作有力及高频率的振翅动作，只要装上锂电池或太阳能充电电池，便能像自然界中的昆虫一样自动不停的飞翔。

6 结语

微细加工作为精密和超精密加工的一个分支，在国防和众多领域都显示了它本身的重要性，我国在这一领域的发展还存在着严重的不足。为使我国的科技实力、国防实力以及经济实力持续稳定健康的发展，就必须积极的发展和创新在这一科技领域的技术，不断改善和完善技术工艺，使国家在这一领域走到世界的前沿。同时作为一个新兴行业，微细加工和精密超精密加工的发展前景是无可限量的，只要高度重视它的发展，将开创科学领域的新局面，攀上科技的高峰。

［1］宾鸿赞.先进制造技术［M］.武汉：华中科技大学出版社，2010.

［2］宋庭新.先进制造技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2014.

［3］王隆太.先进制造技术［D］.扬州：扬州大学，2015.

［4］苑伟政.微机械与微细加工［D］.西安：西北工业大学，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

刘冬梅（1981-），硕士，主要研究领域：机械工程、先进制造技术及模式。