微型機械加工技術發(fā)展現狀趨勢分析

    一、概念


    微型機械加工或稱微型機電系統(tǒng)或微型系統(tǒng)是只可以批量制作的、集微型機構、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)。其主要特點有：體積小（特征尺寸范圍為：1μm-10mm）、重量輕、耗能低、性能穩(wěn)定；有利于大批量生產，降低生產成本；慣性小、諧振頻率高、響應時間短；集約高技術成果，附加值高。微型機械的目的不僅僅在于縮小尺寸和體積，其目標更在于通過微型化、集成化、來搜索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，開辟一個新技術領域，形成批量化產業(yè)。


    微型機械加工技術是指制作為機械裝置的微細加工技術。微細加工的出現和發(fā)展早是與大規(guī)模集成電路密切相關的，集成電路要求在微小面積的半導體上能容納更多的電子元件，以形成功能復雜而完善的電路。電路微細圖案中的最小線條寬度是提高集成電路集成度的關鍵技術標志，微細加工對微電子工業(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制造技術。目前微型加工技術主要有基于從半導體集成電路微細加工工藝中發(fā)展起來的硅平面加工和體加工工藝，上世紀八十年代中期以后在LIGA加工（微型鑄模電鍍工藝）、準LIGA加工，超微細加工、微細電火花加工（EDM）、等離子束加工、電子束加工、快速原型制造（RPM）以及鍵合技術等微細加工工藝方面取得相當大的進展。


    微型機械系統(tǒng)可以完成大型機電系統(tǒng)所不能完成的任務。微型機械與電子技術緊密結合，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，價格低廉，將廣泛地應用于人類生活眾多領域。可以預料，在本世紀內，微型機械將逐步從實驗室走向適用化，對工農業(yè)、信息、環(huán)境、生物醫(yī)療、空間、國防等領域的發(fā)展將產生重大影響。微細機械加工技術是微型機械技術領域的一個非常重要而又非常活躍的技術領域，其發(fā)展不僅可帶動許多相關學科的發(fā)展，更是與國家科技發(fā)展、經濟和國防建設息息相關。微型機械加工技術的發(fā)展有著巨大的產業(yè)化應用前景。


    二、國外發(fā)展現狀


    1959年，RichardPFeynman（1965年諾貝爾物理獎獲得者）就提出了微型機械的設想。1962年第一個硅微型壓力傳感器問世，氣候開發(fā)出尺寸為50~500μm的齒輪、齒輪泵、氣動渦輪及聯(lián)接件等微機械。1965年，斯坦福大學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年美國加州大學伯克利分校研制出轉子直徑為60~12μm的利用硅微型靜電機，顯示出利用硅微加工工藝制造小可動結構并與集成電路兼容以制造微小系統(tǒng)的潛力。


    微型機械在國外已受到政府部門、企業(yè)界、高等學校與研究機構的高度重視。美國MIT、Berkeley、Stanford\\AT&T和的15名科學家在上世紀八十年代末提出"小機器、大機遇：關于新興領域--微動力學的報告"的國家建議書，聲稱"由于微動力學（微系統(tǒng)）在美國的緊迫性，應在這樣一個新的重要技術領域與其他國家的競爭中走在前面"，建議中央財政預支費用為五年5000萬美元，得到美國領導機構重視，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。     美國宇航局投資1億美元著手研制"發(fā)現號微型衛(wèi)星"，美國國家科學基金會把MEMS作為一個新崛起的研究領域制定了資助微型電子機械系統(tǒng)的研究的計劃，從1998年開始，資助MIT，加州大學等8所大學和貝爾實驗室從事這一領域的研究與開發(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《美國國防部技術計劃》報告，把MEMS列為關鍵技術項目。美國國防部高級研究計劃局積極領導和支持MEMS的研究和軍事應用，現已建成一條MEMS標準工藝線以促進新型元件/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、應變儀和加速度表等傳感器有關領域的研究。很多機構參加了微型機械系統(tǒng)的研究，如康奈爾大學、斯坦福大學、加州大學伯克利分校、密執(zhí)安大學、威斯康星大學、老倫茲得莫爾國家研究等。加州大學伯克利傳感器和執(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的超凈實驗室。
     日本通產省1991年開始啟動一項為期10年、耗資250億日元的微型大型研究計劃，研制兩臺樣機，一臺用于醫(yī)療、進入人體進行診斷和微型手術，另一臺用于工業(yè)，對飛機發(fā)動機和原子能設備的微小裂紋實施維修。該計劃有筑波大學、東京工業(yè)大學、東北大學、早稻田大學和富士通研究所等幾十家單位參加。


    歐洲工業(yè)發(fā)達國家也相繼對微型系統(tǒng)的研究開發(fā)進行了重點投資，德國自1988年開始微加工十年計劃項目，其科技部于1990~1993年撥款4萬馬克支持"微系統(tǒng)計劃"研究，并把微系統(tǒng)列為本世紀初科技發(fā)展的重點，德國首創(chuàng)的LIGA工藝，為MEMS的發(fā)展提供了新的技術手段，并已成為三維結構制作的優(yōu)選工藝。法國1993年啟動的7000萬法郎的"微系統(tǒng)與技術"項目。歐共體組成"多功能微系統(tǒng)研究網絡NEXUS"，聯(lián)合協(xié)調46個研究所的研究。瑞士在其傳統(tǒng)的鐘表制造行業(yè)和小型精密機械工業(yè)的基礎上也投入了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計劃。在機械、光學、電子學等領域列出8個項目進行研究與開發(fā)。為了加強歐洲開發(fā)MEMS的力量，一些歐洲公司已組成MEMS開發(fā)集團。


    目前已有大量的微型機械或微型系統(tǒng)被研究出來，例如：尖端直徑為5μm的微型鑷子可以夾起一個紅血球，尺寸為7mm×7mm×2mm的微型泵流量可達250μl/min能開動的汽車，在磁場中飛行的機器蝴蝶，以及集微型速度計、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)行機構以及微型泵、微型噴嘴、濕度、流量傳感器以及多種光學器件。美國加州理工學院在飛機翼面粘上相當數量的1mm的微梁，控制其彎曲角度以影響飛機的空氣動力學特性。美國大批量生產的硅加速度計把微型傳感器（機械部分）和集成電路（電信號源、放大器、信號處理和正檢正電路等）一起集成在硅片上3mm×3mm的范圍內。日本研制的數厘米見方的微型車床可加工精度達1.5μm的微細軸。


    三、國內現狀


    我國在科技部、國家自然基金委，教育部和總裝備部的資助下，一直在跟蹤國外的微型機械研究，積極開展MEMS的研究。現有的微電子設備和同步加速器為微系統(tǒng)提供了基本條件，微細驅動器和微型機器人的開發(fā)早已列入國家863高技術計劃及攀登計劃B中。已有近40個研究小組，取得了以下一些研究成果。廣東工業(yè)大學與日本筑波大學合作，開展了生物和醫(yī)用微型機器人的研究，已研制出一維、二維聯(lián)動壓電陶瓷驅動器，其位移范圍為10μm×10μm；位移分辨率為0.01μm，精度為0.1μm，正在研制6自由度微型機器人；長春光學精密機器研究所研制出直徑為Φ3mm的壓電電機、電磁電機、微測試儀器和微操作系統(tǒng)。上海冶金研究所研制出了微電機、多晶硅梁結構、微泵與閥。上海交通大學研制出Φ2mm的電磁電機，南開大學開展了微型機器人控制技術的研究等。


    我國有很多機構對多種微型機械加工的方法開展了相應的研究，已奠定了一定的加工基礎，能進行硅平面加工和體硅加工、LIGA加工、微細電火花加工及立體光刻造型法加工等。


    四、技術發(fā)展趨勢


    微型機械加工技術的發(fā)展剛剛經歷了十幾年，在加工技術不斷發(fā)展的同時發(fā)展了一批微小器件和系統(tǒng)，顯示了巨大生命力。作為大批量生產的微型機械產品，將以其價格低廉和優(yōu)良性能贏得市場，在生物工程、化學、微分析、光學、國防、航天、工業(yè)控制、醫(yī)療、通訊及信息處理、農業(yè)和家庭服務等領域有著潛在的巨大應用前景。當前，作為大批量生產的微型機械產品如微型壓力傳感器、微細加速度計和噴墨打印頭已經占領了巨大市場。目前市場上以流體調節(jié)與控制的微機電系統(tǒng)為主，其次為壓力傳感器和慣性傳感器。1995年全球微型機械的銷售額為15億美元，有人預計到2002年，相關產品值將達到400億美元。顯然微型機械及其加工技術有著巨大的市場和經濟效益。
     微型機械是一門交叉科學，和它相關的每一技術的發(fā)展都會促使微型機械的發(fā)展。隨著微電子學、材料學、信息學等的不斷發(fā)展，微型機械具備了更好的發(fā)展基礎。由于其巨大的應用前景和經濟效益以及政府、企業(yè)的重視，微型機械發(fā)展必將有更大的飛躍。新原理、新功能、新結構體系的微傳感器、微執(zhí)行器和系統(tǒng)將不斷出現，并可嵌入大的機械設備，提高自動化和智能水平。


    微型機械加工技術作為微型機械的最關鍵技術，也必將有一個大的發(fā)展。硅加工、LIGA加工和準LIGA加工正向著更復雜、更高深度適合各種要求的材料特性和表面特性的微結構以及制作不同材料特別是功能材料微結構、更易于與電路集成的方向發(fā)展，多種加工技術結合也是其重要方向。微型機械在設計方面正向著進行結構和工藝設計的同時實現器件和系統(tǒng)的特性分析和評價的設計系統(tǒng)的實現方向發(fā)展，引入虛擬現實技術。


    我國在微型加工技術發(fā)展的優(yōu)先發(fā)展領域是生物學、環(huán)境監(jiān)控、航空航天、工業(yè)與國防等領域，建設好幾個有世界先進水平的微型機械研究開發(fā)基地，同時亦重視微觀尺度上的新物理現象和新效應的研究，加速我國微型機械的研究與開發(fā)，迎接二十一世紀技術與產業(yè)革命的挑戰(zhàn)。


    五、關鍵技術


    微型機械是一個新興的、多學科交叉的高科技領域，面臨許多課題，涉及許多關鍵技術。


    當一個系統(tǒng)的特征尺寸達到微米級和納米級時，將會產生許多新的科學問題。例如隨著尺寸的減少，表面積與體積之比增加，表面力學、表面物理效應將起主導作用，傳統(tǒng)的設計和分析方法將不再適用。為摩擦學、微熱力這等問題在微系統(tǒng)中將至關重要。微系統(tǒng)尺度效應研究將有助于微系統(tǒng)的創(chuàng)新。


    微型機械不是傳統(tǒng)機械直接微型化，它遠超出了傳統(tǒng)機械的概念和范疇。微型機械在尺度效應、結構、材料、制造方法和工作原理等方面，都與傳統(tǒng)機械截然不同。微系統(tǒng)的尺度效應、物理特性研究、設計、制造和測試研究是微系統(tǒng)領域的重要研究內容。


    在微系統(tǒng)的研究工作方面，一些國內外研究機構已在微小型化尺寸效應，微細加工工藝、微型機械材料和微型結構件、微型傳感器、微型執(zhí)行器、微型機構測量技術、微量流體控制和微系統(tǒng)集成控制以及應用等方面取得不同程度的階段性成果。微型機械加工技術是微型機械發(fā)展的關鍵基礎技術，其中包括微型機械設計微細加工技術、微型機械組裝和封裝技術、為系統(tǒng)的表征和測量技術及微系統(tǒng)集成技術。


    六、前沿關鍵技術


    1、微系統(tǒng)設計技術


    主要是微結構設計數據庫、有限元和邊界分析、CAD/CAM仿真和擬實技術、微系統(tǒng)建模等，微小型化的尺寸效應和微小型理論基礎研究也是設計研究不可缺少的課題，如：力的尺寸效應、微結構表面效應、微觀摩擦機理、熱傳導、誤差效應和微構件材料性能等。


    2、微細加工技術


    主要指高深度比多層微結構的硅表面加工和體加工技術，利用X射線光刻、電鑄的LIGA和利用紫外線的準LIGA加工技術；微結構特種精密加工技術包括微火花加工、能束加工、立體光刻成形加工；特殊材料特別是功能材料微結構的加工技術；多種加工方法的結合；微系統(tǒng)的集成技術；微細加工新工藝探索等。


    3、微型機械組裝和封裝技術


    主要指沾接材料的粘接、硅玻璃靜電封接、硅硅鍵合技術和自對準組裝技術，具有三維可動部件的封裝技術、真空封裝技術等新封裝技術的探索。


    4、微系統(tǒng)的表征和測試技術


    主要有結構材料特性測試技術，微小力學、電學等物理量的測量技術，微型器件和微型系統(tǒng)性能的表征和測試技術，微型系統(tǒng)動態(tài)特性測試技術，微型器件和微型系統(tǒng)可靠性的測量與評價技術。