微型機械加工技術發展現狀和趨勢及其關鍵技術

tags: 機械加工    時間:2014-03-14 01:17:23
微型機械加工技術發展現狀和趨勢及其關鍵技術簡介
      --微型機械加工技術概念   微型機械加工或稱微型機電系統或微型系統是只可以批量製作的、集微型機構、微型感測器、微型執行器以及信號處理和控制電路、……
微型機械加工技術發展現狀和趨勢及其關鍵技術正文
   


--微型機械加工技術概念

微型機械加工或稱微型機電系統或微型系統是只可以批量製作的、集微型機構、微型感測器、微型執行器以及信號處理和控制電路、甚至外圍介面、通訊電路和電源等於一體的微型器件或系統。其主要特點有:體積小(特徵尺寸範圍為:1μm-10mm)、重量輕、耗能低、性能穩定;有利於大批量生產,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於縮小尺寸和體積,其目標更在於通過微型化、集成化、來搜索新原理、新功能的元件和系統,開闢一個新技術領域,形成批量化產業。

微型機械加工技術是指製作為機械裝置的微細加工技術。微細加工的出現和發展早是與大規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,以形成功能複雜而完善的電路。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誌,微細加工對微電子工業而言就是一種加工尺度從微米到納米量級的製造微小尺寸元器件或薄模圖形的先進位造技術。目前微型加工技術主要有基於從半導體集成電路微細加工工藝中發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後在LIGA加工(微型鑄模電鍍工藝)、准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、快速原型製造(RPM)以及鍵合技術等微細加工工藝方面取得相當大的進展。

微型機械系統可以完成大型機電系統所不能完成的任務。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,這些微器件採用大批量集成製造,價格低廉,將廣泛地應用於人類生活眾多領域。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、信息、環境、生物醫療、空間、國防等領域的發展將產生重大影響。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,其發展不僅可帶動許多相關學科的發展,更是與國家科技發展、經濟和國防建設息息相關。微型機械加工技術的發展有著巨大的產業化應用前景。

--微型機械加工技術的國外發展現狀

1959年,Richard P Feynman(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感測器問世,氣候開發出尺寸為50~500μm的齒輪、齒輪泵、氣動渦輪及聯接件等微機械。1965年,斯坦福大學研製出硅腦電極探針,後來又在掃描隧道顯微鏡、微型感測器方面取得成功。1987年美國加州大學伯克利分校研製出轉子直徑為60~12μm的利用硅微型靜電機,顯示出利用硅微加工工藝製造小可動結構並與集成電路兼容以製造微小系統的潛力。

微型機械在國外已受到政府部門、企業界、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:關於新興領域--微動力學的報告"的國家建議書,聲稱"由於微動力學(微系統)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,連續大力投資,並把航空航天、信息和MEMS作為科技發展的三大重點。美國宇航局投資1億美元著手研製"發現號微型衛星",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,年資助額從100萬、200萬加到1993年的500萬美元。1994年發布的《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。美國工業主要致力於感測器、位移感測器、應變儀和加速度表等感測器有關領域的研究。很多機構參加了微型機械系統的研究,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。加州大學伯克利感測器和執行器中心(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,研製兩台樣機,一台用於醫療、進入人體進行診斷和微型手術,另一台用於工業,對飛機發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。

歐洲工業發達國家也相繼對微型系統的研究開發進行了重點投資,德國自1988年開始微加工十年計劃項目,其科技部於1990~1993年撥款4萬馬克支持"微系統計劃"研究,並把微系統列為本世紀初科技發展的重點,德國首創的LIGA工藝,為MEMS的發展提供了新的技術手段,並已成為三維結構製作的優選工藝。法國1993年啟動的7000萬法郎的"微系統與技術"項目。歐共體組成"多功能微系統研究網路NEXUS",聯合協調46個研究所的研究。瑞士在其傳統的鐘錶製造行業和小型精密機械工業的基礎上也投入了MEMS的開發工作,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。為了加強歐洲開發MEMS的力量,一些歐洲公司已組成MEMS開發集團。

目前已有大量的微型機械或微型系統被研究出來,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為一體的微型慣性組合(MIMU)。德國創造了LIGA工藝,製成了懸臂樑、執行機構以及微型泵、微型噴嘴、濕度、流量感測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感測器(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)一起集成在矽片上3mm×3mm的範圍內。日本研製的數厘米見方的微型車床可加工精度達1.5μm的微細軸。







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