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微型机械加工技术发展现状及趋势分析
2006年8月7日 9:17  来源:中国化工设备网
    一、概念

    微型机械加工或称微型机电系统或微型系统是只可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通讯电路和电源等于一体的微型器件或系统。其主要特点有:体积小、重量轻、耗能低、性能稳定;有利于大批量生产,降低生产成本;惯性小、谐振频率高、响应时间短;集约高技术成果,附加值高。微型机械的目的不仅仅在于缩小尺寸和体积,其目标更在于通过微型化、集成化、来搜索新原理、新功能的元件和系统,开辟一个新技术领域,形成批量化产业。

    微型机械加工技术是指制作为机械装置的微细加工技术。微细加工的出现和发展早是与大规模集成电路密切相关的,集成电路要求在微小面积的半导体上能容纳更多的电子元件,以形成功能复杂而完善的电路。电路微细图案中的最小线条宽度是提高集成电路集成度的关键技术标志,微细加工对微电子工业而言就是一种加工尺度从微米到纳米量级的制造微小尺寸元器件或薄模图形的先进制造技术。目前微型加工技术主要有基于从半导体集成电路微细加工工艺中发展起来的硅平面加工和体加工工艺,上世纪八十年代中期以后在微型铸模电镀工艺加工、准微型铸模电镀工艺加工,超微细加工、微细电火花加工、等离子束加工、电子束加工、快速原型制造以及键合技术等微细加工工艺方面取得相当大的进展。

    微型机械系统可以完成大型机电系统所不能完成的任务。微型机械与电子技术紧密结合,将使种类繁多的微型器件问世,这些微器件采用大批量集成制造,价格低廉,将广泛地应用于人类生活众多领域。可以预料,在本世纪内,微型机械将逐步从实验室走向适用化,对工农业、信息、环境、生物医疗、空间、国防等领域的发展将产生重大影响。微细机械加工技术是微型机械技术领域的一个非常重要而又非常活跃的技术领域,其发展不仅可带动许多相关学科的发展,更是与国家科技发展、经济和国防建设息息相关。微型机械加工技术的发展有着巨大的产业化应用前景。
 
    二、国外发展现状

    1959年,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,气候开发出尺寸为50~500μm的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接件等微机械。1965年,斯坦福大学研制出硅脑电极探针,后来又在扫描隧道显微镜、微型传感器方面取得成功。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60~12μm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。微型机械在国外已受到政府部门、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。美国MIT、Berkeley、Stanford\AT&T和的15名科学家在上世纪八十年代末提出"小机器、大机遇:关于新兴领域--微动力学的报告"的国家建议书,声称"由于微动力学(微系统)在美国的紧迫性,应在这样一个新的重要技术领域与其他国家的竞争中走在前面",建议中央财政预支费用为五年5000万美元,得到美国领导机构重视,连续大力投资,并把航空航天、信息和MEMS作为科技发展的三大重点。美国宇航局投资1亿美元着手研制"发现号微型卫星",美国国家科学基金会把MEMS作为一个新崛起的研究领域制定了资助微型电子机械系统的研究的计划,从1998年开始,资助MIT,加州大学等8所大学和贝尔实验室从事这一领域的研究与开发,年资助额从100万、200万加到1993年的500万美元。1994年发布的《美国国防部技术计划》报告,把MEMS列为关键技术项目。美国国防部高级研究计划局积极领导和支持MEMS的研究和军事应用,现已建成一条MEMS标准工艺线以促进新型元件/装置的研究与开发。美国工业主要致力于传感器、位移传感器、应变仪和加速度表等传感器有关领域的研究。很多机构参加了微型机械系统的研究,如康奈尔大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、密执安大学、威斯康星大学、老伦兹得莫尔国家研究等。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。

    日本通产省1991年开始启动一项为期10年、耗资250亿日元的微型大型研究计划,研制两台样机,一台用于医疗、进入人体进行诊断和微型手术,另一台用于工业,对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修。该计划有筑波大学、东京工业大学、东北大学、早稻田大学和富士通研究所等几十家单位参加。

    欧洲工业发达国家也相继对微型系统的研究开发进行了重点投资,德国自1988年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,并把微系统列为本世纪初科技发展的重点,德国首创的LIGA工艺,为MEMS的发展提供了新的技术手段,并已成为三维结构制作的优选工艺。法国1993年启动的7000万法郎的"微系统与技术"项目。欧共体组成"多功能微系统研究网络NEXUS",联合协调46个研究所的研究。瑞士在其传统的钟表制造行业和小型精密机械工业的基础上也投入了MEMS的开发工作,1992年投资为1000万美元。英国政府也制订了纳米科学计划。在机械、光学、电子学等领域列出8个项目进行研究与开发。为了加强欧洲开发MEMS的力量,一些欧洲公司已组成MEMS开发集团。

    目前已有大量的微型机械或微型系统被研究出来,例如:尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红血球,尺寸为7mm×7mm×2mm的微型泵流量可达250μl/min能开动的汽车,在磁场中飞行的机器蝴蝶,以及集微型速度计、微型陀螺和信号处理系统为一体的微型惯性组合(MIMU)。德国创造了LIGA工艺,制成了悬臂梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴、湿度、流量传感器以及多种光学器件。美国加州理工学院在飞机翼面粘上相当数量的1mm的微梁,控制其弯曲角度以影响飞机的空气动力学特性。美国大批量生产的硅加速度计把微型传感器(机械部分)和集成电路(电信号源、放大器、信号处理和正检正电路等)一起集成在硅片上3mm×3mm的范围内。日本研制的数厘米见方的微型车床可加工精度达1.5μm的微细轴。

    三、国内现状

    我国在科技部、国家自然基金委,教育部和总装备部的资助下,一直在跟踪国外的微型机械研究,积极开展MEMS的研究。现有的微电子设备和同步加速器为微系统提供了基本条件,微细驱动器和微型机器人的开发早已列入国家863高技术计划及攀登计划B中。已有近40个研究小组,取得了以下一些研究成果。广东工业大学与日本筑波大学合作,开展了生物和医用微型机器人的研究,已研制出一维、二维联动压电陶瓷驱动器,其位移范围为10μm×10μm;位移分辨率为0.01μm,精度为0.1μm,正在研制6自由度微型机器人;长春光学精密机器研究所研制出直径为Φ3mm的压电电机、电磁电机、微测试仪器和微操作系统。上海冶金研究所研制出了微电机、多晶硅梁结构、微泵与阀。上海交通大学研制出Φ2mm的电磁电机,南开大学开展了微型机器人控制技术的研究等。

    我国有很多机构对多种微型机械加工的方法开展了相应的研究,已奠定了一定的加工基础,能进行硅平面加工和体硅加工、LIGA加工、微细电火花加工及立体光刻造型法加工等。

    四、技术发展趋势

    微型机械加工技术的发展刚刚经历了十几年,在加工技术不断发展的同时发展了一批微小器件和系统,显示了巨大生命力。作为大批量生产的微型机械产品,将以其价格低廉和优良性能赢得市场,在生物工程、化学、微分析、光学、国防、航天、工业控制、医疗、通讯及信息处理、农业和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。当前,作为大批量生产的微型机械产品如微型压力传感器、微细加速度计和喷墨打印头已经占领了巨大市场。目前市场上以流体调节与控制的微机电系统为主,其次为压力传感器和惯性传感器。1995年全球微型机械的销售额为15亿美元,有人预计到2002年,相关产品值将达到400亿美元。显然微型机械及其加工技术有着巨大的市场和经济效益。

    微型机械是一门交叉科学,和它相关的每一技术的发展都会促使微型机械的发展。随着微电子学、材料学、信息学等的不断发展,微型机械具备了更好的发展基础。由于其巨大的应用前景和经济效益以及政府、企业的重视,微型机械发展必将有更大的飞跃。新原理、新功能、新结构体系的微传感器、微执行器和系统将不断出现,并可嵌入大的机械设备,提高自动化和智能水平。

    微型机械加工技术作为微型机械的最关键技术,也必将有一个大的发展。硅加工、LIGA加工和准LIGA加工正向着更复杂、更高深度适合各种要求的材料特性和表面特性的微结构以及制作不同材料特别是功能材料微结构、更易于与电路集成的方向发展,多种加工技术结合也是其重要方向。微型机械在设计方面正向着进行结构和工艺设计的同时实现器件和系统的特性分析和评价的设计系统的实现方向发展,引入虚拟现实技术。

    我国在微型加工技术发展的优先发展领域是生物学、环境监控、航空航天、工业与国防等领域,建设好几个有世界先进水平的微型机械研究开发基地,同时亦重视微观尺度上的新物理现象和新效应的研究,加速我国微型机械的研究与开发,迎接二十一世纪技术与产业革命的挑战。

    五、关键技术

    微型机械是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域,面临许多课题,涉及许多关键技术。

    当一个系统的特征尺寸达到微米级和纳米级时,将会产生许多新的科学问题。例如随着尺寸的减少,表面积与体积之比增加,表面力学、表面物理效应将起主导作用,传统的设计和分析方法将不再适用。为摩擦学、微热力这等问题在微系统中将至关重要。微系统尺度效应研究将有助于微系统的创新。

    微型机械不是传统机械直接微型化,它远超出了传统机械的概念和范畴。微型机械在尺度效应、结构、材料、制造方法和工作原理等方面,都与传统机械截然不同。微系统的尺度效应、物理特性研究、设计、制造和测试研究是微系统领域的重要研究内容。

    在微系统的研究工作方面,一些国内外研究机构已在微小型化尺寸效应,微细加工工艺、微型机械材料和微型结构件、微型传感器、微型执行器、微型机构测量技术、微量流体控制和微系统集成控制以及应用等方面取得不同程度的阶段性成果。微型机械加工技术是微型机械发展的关键基础技术,其中包括微型机械设计微细加工技术、微型机械组装和封装技术、为系统的表征和测量技术及微系统集成技术。

    六、前沿关键技术

    1、微系统设计技术

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、立体光刻成形加工;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。
 
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