有关微型机械加工的发展现状研究

关于微型机械加工的发展现状研究孙晓娜（辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁 阜新市 ）摘要：微型机械加工技术是21世纪核心技术之一，本文扼要介绍有关微型机械加工技术技术的基础性概念，国内外微型机械加工技术的发展现状及其发展新模式和新趋势关键词 ：兴起；微型机械；加工技术；应用；关键技术；发展现状；发展趋势 1 微型机械加工技术的兴起人类在面临环境污染日益加重的情况下,提出了可持续发展的战略.该战略要求建立社会和经济的发展必须与资源和环境的保护相协调的模式.这就要求人们对环境中诸如大气、水的理化参数等指标的检测手段具有先进性、适时性和综合性.利用微型机机械系统灵敏度高、可靠性好、多功能和高集成的特点进行环境检测和污染评价,以减少像发电机、化工厂、汽车和飞机所造成的污染是非常方便的.例如,研制集测量pH值、流量和成分分析等功能于一体的多功能传感器就能在监测多种污染方面发挥很好的作用1.人类追求美好生活的愿望越来越受到资源因素的约束,解决这一矛盾的有效途径有两条:一是开发利用新资源;二是充分、高效地利用现有资源.微型机械技术在解决这一矛盾的二个途径上均有独到的优势.从已研制出的静电型微电机和压电型微电机来看,它们分别利用静电和超声波来做驱动能源.由于微型机械的能耗低、效率高,这就为人类解决资源问题“另辟蹊径”.微型机械的出现为人类战胜疾病提供了强有力的武器和手段.微型机械体积小、重量轻、能耗低,能进入一般机械无法进入的微小空间作业,且能进行精细操作,加之又能与微电子集成和接口,有利于简化结构并强化功能.例如,将微型传感器用口服或皮下注射的方法送入人体,就可以对体油脂沉积物,可除去体中的胆固醇,可探测和清除人体内的癌细胞.微型机械在现代医疗技术中的应用潜力十分巨大,它为人类最终征服各种绝症和延长寿命带来了希望.微型机械在其他领域同样具有巨大的应用潜力.在宇航中,可将全集成气相色谱微系统散布在广漠的太空,进行星际物质和生命起源的探测;在工业中,可用大量一次性微型机器人去清除锈蚀,检查和维修高压容器的焊缝;在超大规模集成电路制造中,可用微型气体精控器、微真空操作器以及微定位器等来提高兆级VLSI的加工精度制造水平;在航空器和汽车的前部装上微型远红外导航仪,就能早期发现目标和前方障碍;在军事中,将微齿轮组织的“强链”微型机械用于核武器安全装置,可避免核武器由雷击引起的突发事故.2 微型机械加工技术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（特征尺寸范围为：1m-10mm）、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LIGA 加工（微型铸模电镀工艺）、准LIGA 加工，超微细加工、微细电火花加工（EDM）、等离子束加工、电子束加工、快速原型制造（RPM）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。3 关键技术和前沿关键技术3.1 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。3.2 前沿关键技术（1） 微系统设计技术。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. 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。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. 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 微型机械加工技术的国内外发展现状4.1 国外技术现状1959年,RichardP.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50500Lm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6012Lm的硅微型静电机,显示出利用硅微加工工艺制作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NSF的15名科学家在上世纪八十年代未提出/小机器!大机遇:关于新兴领域)微动力学的报告0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它国家的竞争中走在前面0,建议中央财政预支费用为五年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0,美国国家科学基金会把MEMS作为一个新崛起的研究领域并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5美国国防部技术计划6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的研究和其军事应用,现已建造一条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界主要致力于压力传感器!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!劳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250亿日元的微型机械大型研究计划,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年1993年拨款4万马克支持/微系统技术0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7000万法朗的/微系统与技术0项目欧共体组成/多功能微系统研究网络NEXUS0,联合协调46个研究所的研究瑞士在其传统的钟表制造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个红血球,尺寸为7mm7mm2mm的微型泵流量可达250Ll/min,能开动的3mm大小的汽车,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,制成了悬壁梁!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3mm3mm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1.5Lm的微细轴21国内技术现状我国在科技部!国家自然科学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,微型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,取得了一下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10Lm10Lm;位移分辨率为0.01Lm,精度为0.1Lm,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3mm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2mm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4.2 国内技术现状我国在科技部!国家自然科学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,微型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,取得了一下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10Lm10Lm;位移分辨率为0.01Lm,精度为0.1Lm,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3mm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2mm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。5 微型机械技术发展的新模式和新趋势微型机械与一般常规机械相比,不仅是体积的缩小,而且在工作机理、材料特性、加工技术、测量方法、控制手段、联系方式等方面都发生了巨大变化.因而它具有如下显著特点.在微型机械中,所有几何变形都将是分子级的,如此之小应变之间的线形关系不复存在,诸如虎克定律等宏观领域中的科学定律将失去它们的指导意义.在宏观机械中,通常摩擦副表现会受到较大压力的作用,使材料表现产生塑性变形.但在微型机械中,由于运动物体质量很小,由此产生的压力很轻,零件表现变形在材料弹性范围内,这时摩擦表面的摩擦力主要是由表面之间的分子相互作用力引起的,而不是由载荷的压力引起的.根据力的尺寸效应LN可知,不同种类的力与物体尺寸有如下关系式成立:静电力L0;表面张力L1;弹性力和粘性力L2;惯性力和电磁力L3.所以要研究微型机械的摩擦现象,就必须研究和探索材料表面原子和分子层的物理和化学性质,即研究“微摩擦学”或“纳米摩擦学”的内容.为制作符合使用要求的微型机械零、部件,人们要应用各种各样的薄膜材料.一般说来,这些薄膜的厚度在几十纳米到几十微米之间.由于尺寸效应的影响,厚度较薄的薄膜和厚度较厚的薄膜,尽管组成成分相同,但它们的力学性能和物理特性差别甚远,其加工手段和制作方法也不相同,因而人们必须探索基于新原理和新工艺的特种加工技术.微型机械的加工方法不同于传统的机械加工方式.目前在微型机械制作中一般采用硅加工技术,尤以硅立体加工技术和硅表面加工技术为主.但由于硅材料结晶方向的局限性,在加工高宽深比微型结构器件时,现有的硅材料加工技术还不够理想,因此,大力发展能够制作高宽深比器件的硅加工技术和装备是微型机械获得突破性进展的关键.微型机械的发展有赖于人们能够实现原子级尺寸微结构的分辨与加工能力,即应该具备纳米级精度的检测和控制手段.由此就必须发展基于新原理、新技术的检测和控制设备.诸如扫描隧道显微镜、原子力显微镜、摩擦力显微镜、表面力仪、石英晶体微天平等新仪器和新设备就是在微型机械开发制作中的有力武器24.微型机械的发展还有赖于微型机械加工技术水平的提高.微型机械加工技术是为微传感器、微执行器、微机构和微系统制作微机械部件和结构的加工技术,它是在硅平面加工技术和硅立体加工技术的基础上发展起来的.微型机械加工实质械系统整体.微型机械加工方式十分丰富,包括了各种现代特种加工和高能束加工等方式,而且微型机械制造过程又往往是多种加工方式的结合,因此它是最重要的新兴技术之一.目前,常用的微型机械加工技术有以下几种:(1) 集成电路加工(IC)技术 . 集成电路加工(IC)技术是一种发展十分迅速且较成熟的制作大规模集成电路的加工技术,在微型机械加工中使用较为普遍,它是一种平面加工技术.这种技术的刻蚀深度只有数百纳米,且只限于制作硅材料的零部件.由于它与集成电路有良好的相容性而得到了快速的发展.(2) 光刻技术(photolithography) . 光刻技术首先在基质材料上涂覆光致抗蚀剂(光刻胶).然后利用极限分辨率极高的能量束通过掩膜对光致蚀层进行曝光(或称光刻).显影后,在抗蚀剂层上可获得与掩膜图形相同的极微细几何图形.最后,再利用其他方法,便可在工件材料上制造出微型结构.目前,光刻技术中主要采用的曝光技术有:电子束曝光技术、离子束曝光技术、X射线曝光技术和紫外准分子曝光技术.其中离子束曝光技术具有最高的分辨率,电子束曝光技术代表了最成熟的亚微米级曝光技术,紫外准分子激光曝光技术则具有最佳的经济性,是近年来发展速度极快且实用性较强的曝光技术,在大批量生产中保持主导地位.(3) 光刻电铸(LIGA)和准LIGA技术.LIGA技术是由德国卡尔斯鲁厄核研究中心开发的一种从半导体光刻工艺中派生出来的加工技术.其基本思想是利用X射线光刻与牺牲层技术,可在任何种类和数量的材料上形成深层的微结构.准LIGA技术是对LIGA技术的改进,使其更加实用化.LIGA和准LIGA技术把微型机械技术朝实用化方向推进了一大步,它已成为立体微型机械的重要制造手段之一.利用它可以制造出微传感器、微驱动器、微马达、微机械零件和微光学元件等产品.LIGA技术的机理是由深层X射线光刻、电铸成型及注塑成型三个工艺组成,其主要工艺过程由X光光刻掩膜板的制作、X光深光刻、光刻胶显影、电铸成模、光刻胶剥离、塑模制作及塑模脱模成型组成.LIGA技术使用波长为0.21nm的X光,可刻蚀至数百微米深度,刻线宽度十光设备,而且与集成电路工艺的相容性不理想,所以在LIGA技术出现之后,很快又出现了一种也采用金属电镀技术,但不需要同步辐射X光的准LIGA技术.LIGA技术和准LIGA技术的共同特点是应用电镀金属层材料来制作微机械结构,因此也统称为金属电镀技术.但由于准LIGA技术要求的设备条件要低得多,它与集成电路的相容性也要好得多,因此具有更高的灵活性和更大的实用性.所以目前对准LIGA技术的研究比对LIGA技术的研究要广泛得多.(4)腐蚀成型技术 .腐蚀成型技术是微型机械深层次加工的主要途径,一般是先将光刻后的硅体用腐蚀剂白蚀,脱去牺牲层而留下加工层,再制作工件并经清洗后得到成品.腐蚀法有湿法与干法两种,湿法又分溶液法和阳极法,干法又分离子法和激光法.其中溶液法由于使用简单,成本低,工艺效果好,加工范围宽而备受青睐.溶液腐蚀法常用的腐蚀剂有EDP,KOH,H2N2三种.按比例、温度控制腐蚀速度,生成掩膜SiO2或Si3N4,以满足硅体浸蚀的选择性、掩蔽性、各向异性和超精密、高水准的特殊要求.而激光腐蚀法通过辐射剂量调节,几乎任何形状的微型机械构件都能由此腐蚀加工出来,这是其他方法所望尘莫及的.腐蚀成型工艺有一个共同特点,即将掩膜上的图形直接转换到硅片上,蚀刻出微细的图形.这和常用化学蚀刻工艺相比,工序减少到只有原来的16,生产成本降低到原来的110,而且不易损伤图形,图形轮廓光洁,线宽达0.5Lm,理论上可达到0.125Lm,非常适合于类似超大规模集成电路之类的图形制作.(5) 键合技术.硅-硅直接键合的主要研究方向一是降低键合的温度,二是改进通过硅-硅直接键合形成表面薄的SOI层的技术.前者,上海冶金研究所已实现了150以下的低温键合,后者,现已出现了一种被称为SmartCut的技术.这种技术是先在一硅片的表面用离子注入的方法注入氢埋层,将这片硅片与另一片硅片键合后,