--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丢习、集微型機(jī)構(gòu)贵式、微型傳感器撒肉、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路咬跷、甚至外圍接口猩镰、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)演避、重量輕氨鹤、耗能低、性能穩(wěn)定偶咸；有利于大批量生產(chǎn)何煞，降低生產(chǎn)成本；慣性小桨皂、諧振頻率高茄码、響應(yīng)時(shí)間短；集約高技術(shù)成果衰屡，附加值高构韵。微型機(jī)械的目的不僅僅在于縮小尺寸和體積，其目標(biāo)更在于通過微型化趋艘、集成化疲恢、來搜索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)瓷胧，開辟一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域显拳，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)搓萧。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)的杂数，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)雜而完善的電路瘸洛。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)志揍移，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)次和。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)那伐、準(zhǔn)LIGA加工踏施，超微細(xì)加工、微細(xì)電火花加工(EDM)披滑、等離子束加工徒锄、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)展羹卷。

　　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)安芋。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帮声，這些微器件采用大批量集成制造肄蓄，價(jià)格低廉搞督，將廣泛地應(yīng)用于人類生活眾多領(lǐng)域专散。可以預(yù)料胚搂，在本世紀(jì)內(nèi)喉隙，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)脐炼、信息畏帖、環(huán)境、生物醫(yī)療丁恭、空間曹动、國(guó)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)非常重要而又非成溃活躍的技術(shù)領(lǐng)域墓陈，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(guó)家科技發(fā)展第献、經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)息息相關(guān)贡必。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(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　 1959年庸毫，Richard P 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)想仔拟。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的齒輪飒赃、齒輪泵利花、氣動(dòng)渦輪及聯(lián)接件等微機(jī)械。1965年载佳，斯坦福大學(xué)研制出硅腦電極探針炒事，后來又在掃描隧道顯微鏡兑徘、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60～12μm的利用硅微型靜電機(jī)彪趣，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)的潛力嘹征。

　　微型機(jī)械在國(guó)外已受到政府部門、企業(yè)界拌微、高等學(xué)校與研究機(jī)構(gòu)的高度重視纸靠。美國(guó)MIT、Berkeley殊储、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)器誓读、大機(jī)遇：關(guān)于新興領(lǐng)域--微動(dòng)力學(xué)的報(bào)告"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)的緊迫性瘤慕，應(yīng)在這樣一個(gè)新的重要技術(shù)領(lǐng)域與其他國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)中走在前面"伞让，建議中央財(cái)政預(yù)支費(fèi)用為五年5000萬美元，得到美國(guó)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)重視鹰柄，連續(xù)大力投資停濒，并把

　　日本通產(chǎn)省1991年開始啟動(dòng)一項(xiàng)為期10年还纤、耗資250億日元的微型大型研究計(jì)劃尸惭，研制兩臺(tái)樣機(jī)，一臺(tái)用于醫(yī)療埠邻、進(jìn)入人體進(jìn)行診斷和微型手術(shù)男磅，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)施維修苞惰。該計(jì)劃有筑波大學(xué)蜂澄、東京工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)咕诊、早稻田大學(xué)和富士通研究所等幾十家單位參加墨攻。

　　目前已有大量的微型機(jī)械或微型系統(tǒng)被研究出來拦赠，例如：尖端直徑為5μm的微型鑷子可以?shī)A起一個(gè)紅血球巍沙，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(chǎng)中飛行的機(jī)器蝴蝶荷鼠，以及集微型速度計(jì)句携、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)創(chuàng)造了LIGA工藝逛指，制成了懸臂梁宴亦、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及微型泵、微型噴嘴骤转、濕度啥闪、流量傳感器以及多種光學(xué)器件夷钥。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，控制其彎曲角度以影響飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性曙悠。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)源婿残、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)烘韩。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)軸脖煮。

　　--微型機(jī)械加工技術(shù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

　　我國(guó)在科技部、國(guó)家自然基金委乍厉，教育部和總裝備部的資助下蜀骗，一直在跟蹤國(guó)外的微型機(jī)械研究，積極開展MEMS的研究“简冢現(xiàn)有的微電子設(shè)備和同步加速器為微系統(tǒng)提供了基本條件限寞，微細(xì)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)計(jì)劃及攀登計(jì)劃B中。已有近40個(gè)研究小組仰坦，取得了以下一些研究成果履植。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)器人的研究悄晃，已研制出一維玫霎、二維聯(lián)動(dòng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，其位移范圍為10μm×10μm妈橄；位移分辨率為0.01μm庶近，精度為0.1μm，正在研制6自由度微型機(jī)器人眷蚓；長(zhǎng)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)鼻种、電磁電機(jī)、微測(cè)試儀器和微操作系統(tǒng)沙热。上海冶金研究所研制出了微電機(jī)叉钥、多晶硅梁結(jié)構(gòu)、微泵與閥篙贸。上海交通大學(xué)研制出Φ2mm的電磁電機(jī)码累，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(guó)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)的研究踏蚓，已奠定了一定的加工基礎(chǔ)激撮，能進(jìn)行硅平面加工和體硅加工、LIGA加工枫昏、微細(xì)電火花加工及立體光刻造型法加工等偶屯。

　　--微型機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

　　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)旋蝎，顯示了巨大生命力冶习。作為大批量生產(chǎn)的微型機(jī)械產(chǎn)品镰掐，將以其價(jià)格低廉和優(yōu)良性能贏得市場(chǎng)，在生物工程琐幔、化學(xué)炸诚、微分析、光學(xué)为稽、國(guó)防碗屏、航天、工業(yè)控制疑苔、醫(yī)療甫匹、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)用前景惦费。當(dāng)前兵迅，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(chǎng)薪贫。目前市場(chǎng)上以流體調(diào)節(jié)與控制的微機(jī)電系統(tǒng)為主恍箭，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15億美元瞧省，有人預(yù)計(jì)到2002年扯夭，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(chǎng)和經(jīng)濟(jì)效益鞍匾。

　　微型機(jī)械是一門交叉科學(xué)交洗，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)候学、材料學(xué)藕筋、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)呕摹。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)的重視溪客，微型機(jī)械發(fā)展必將有更大的飛躍二搀。新原理、新功能肢箕、新結(jié)構(gòu)體系的微傳感器诸恤、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)備牲支，提高自動(dòng)化和智能水平微惦。

　　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)展窥血。硅加工婶耕、LIGA加工和準(zhǔn)LIGA加工正向著更復(fù)雜措坐、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)展赖厅，多種加工技術(shù)結(jié)合也是其重要方向拣播。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)收擦。

　　我國(guó)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)贮配、環(huán)境監(jiān)控、航空航天塞赂、工業(yè)與國(guó)防等領(lǐng)域泪勒，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)的研究宴猾，加速我國(guó)微型機(jī)械的研究與開發(fā)酣藻，迎接二十一世紀(jì)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命的挑戰(zhàn)。

　　--微型機(jī)械加工的關(guān)鍵技術(shù)

　　微型機(jī)械是一個(gè)新興的鳍置、多學(xué)科交叉的高科技領(lǐng)域辽剧，面臨許多課題，涉及許多關(guān)鍵技術(shù)税产。

　　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)怕轿，將會(huì)產(chǎn)生許多新的科學(xué)問題。例如隨著尺寸的減少辟拷，表面積與體積之比增加撞羽，表面力學(xué)、表面物理效應(yīng)將起主導(dǎo)作用卒亩，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析方法將不再適用蚀攘。為摩擦學(xué)、微熱力這等問題在微系統(tǒng)中將至關(guān)重要划万。微系統(tǒng)尺度效應(yīng)研究將有助于微系統(tǒng)的創(chuàng)新嘴略。

　　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)械的概念和范疇招蠕。微型機(jī)械在尺度效應(yīng)卑蚓、結(jié)構(gòu)、材料倾莽、制造方法和工作原理等方面径泉，都與傳統(tǒng)機(jī)械截然不同。微系統(tǒng)的尺度效應(yīng)板刑、物理特性研究缰兄、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)的研究工作方面上煤，一些國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已在微小型化尺寸效應(yīng)休玩，微細(xì)加工工藝、微型機(jī)械材料和微型結(jié)構(gòu)件楼入、微型傳感器哥捕、微型執(zhí)行器、微型機(jī)構(gòu)測(cè)量技術(shù)嘉熊、微量流體控制和微系統(tǒng)集成控制以及應(yīng)用等方面取得不同程度的階段性成果遥赚。微型機(jī)械加工技術(shù)是微型機(jī)械發(fā)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)阐肤、微型機(jī)械組裝和封裝技術(shù)凫佛、為系統(tǒng)的表征和測(cè)量技術(shù)及微系統(tǒng)集成技術(shù)。

　　微型機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域的前沿關(guān)鍵技術(shù)有：

　　 1孕惜、微系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

　　 主要是微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)愧薛、有限元和邊界分析、CAD/CAM仿真和擬實(shí)技術(shù)衫画、微系統(tǒng)建模等毫炉，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)树季、微結(jié)構(gòu)表面效應(yīng)垄套、微觀摩擦機(jī)理、熱傳導(dǎo)令叉、誤差效應(yīng)和微構(gòu)件材料性能等沦浆。

　　2、微細(xì)加工技術(shù)

　　主要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)溜帐，利用X射線光刻将盾、電鑄的LIGA和利用紫外線的準(zhǔn)LIGA加工技術(shù)；微結(jié)構(gòu)特種精密加工技術(shù)包括微火花加工勃核、能束加工再僧、立體光刻成形加工；特殊材料特別是功能材料微結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)凡加；多種加工方法的結(jié)合慰奉；微系統(tǒng)的集成技術(shù)；微細(xì)加工新工藝探索等氧胳。

　　3、微型機(jī)械組裝和封裝技術(shù)

　　 主要指沾接材料的粘接辰令、硅玻璃靜電封接伴鳖、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)的探索榜聂。

　　4搞疗、微系統(tǒng)的表征和測(cè)試技術(shù)

　　 主要有結(jié)構(gòu)材料特性測(cè)試技術(shù)，微小力學(xué)须肆、電學(xué)等物理量的測(cè)量技術(shù)匿乃，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)豌汇，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)幢炸。

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