微型機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢及其關(guān)鍵技術(shù)

1、微型機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢及其關(guān)鍵技術(shù)- 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：-lommum、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

2、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)加工對微電子工業(yè)而言 就是一種加工尺度從微米到納米量級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)

3、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。- 微型機(jī)械加工技術(shù)的國外發(fā)展現(xiàn)狀1959 年， Ric

4、hardPFeynman （ 1965 年諾貝爾物理獎獲得者）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50500 um的齒輪、齒輪泵、氣動渦輪及聯(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6012 z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 、StanfordAT&T 和的 15 名科

5、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 - 微動力學(xué)的報(bào)告 "的國家建議書，聲稱 "由于微動力學(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)號微型衛(wèi)星 " ，美國國家科學(xué)基金會把 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

6、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）

7、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，研制兩臺樣機(jī)， 一臺用于醫(yī)療、進(jìn)入人體進(jìn)行診斷和微型手術(shù)，另一臺用于工業(yè)，對飛機(jī)發(fā)動機(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19901993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

8、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)

9、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5 gm的微型鑷子可以夾起一個(gè)紅血球，尺寸為7m mx 7mmx 2mm的微型泵流量可達(dá) 250 g l/min能開動的汽車，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（電信號源、放大器、信號處理和正檢正

10、電路等）一起集成在硅片上 3mmx 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) 1.5 gm 的微細(xì)軸。- 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?。ㄌ卣鞒叽绶秶鸀椋?10n1ngm）、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)

11、，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)加工對微電子工業(yè)而言 就是一種加工尺度從微米到納米量級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（

12、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?？?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?；钴S 的技術(shù)領(lǐng)域，其發(fā)展不僅可帶動許多相關(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

13、有著巨大的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。- 微型機(jī)械加工技術(shù)的國外發(fā)展現(xiàn)狀1959 年， RichardPFeynman （1965 年諾貝爾物理獎獲得者）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50500 m的齒輪、齒輪泵、氣動渦輪及聯(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6012 z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

14、MIT 、 Berkeley 、StanfordAT&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 - 微動力學(xué)的報(bào)告 "的國家建議書，聲稱 "由于微動力學(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)號微型衛(wèi)星 " ，美國國家科學(xué)基金會把 MEMS 作為一個(gè)新崛起的研究

15、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

16、、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，研制兩臺樣機(jī)， 一臺用于醫(yī)療、進(jìn)入人體進(jìn)行診斷和微型手術(shù)，另一臺用于工業(yè)，對飛機(jī)發(fā)動機(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

17、19901993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5 gm的微型鑷子可以夾起一個(gè)紅血球，尺寸為7mmx 7mmx 2mm 的微型泵流量可達(dá) 250