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微机械制造技术及应用
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一、对微机械的认识
  随着超精加工、精细加工和硅集成电路技术的不断提高,微机械制造技术迅速发展,应用越来越广泛。尽管日前微机械有很多名称,但所指的都是同一领域对微型机械的尺寸,世界上并没有统一的标准。日本的些人十所作的划分是:1~100mm为“小型机械”; 10µm~10m为“微型机械”; 10nm~10µm为“纳米机械或分子机械”。一股统称为微型机械。
美国最早研究并试制成功微机械,在微机械的基础研究与产品开发方面都处于世界领先地位。微机械在美国通常被称为微型机电系统MEMS(Micro Electric Mechanical System)。日本称之为微型机械(Micro machine),欧洲称之为微型系统(Micro system)。
美国所说的MEMS侧重于用集成电路可兼容技术加工元器件,把微电子和微机械集成在一起,或者说它是把微机构及其制动器、控制器、传感器、信号处理器,以及接口、通讯和电源等集成在一个微小的空间内,发挥机械功能的、集成型的机电一体化系统。MEMS并不是传统机械电子的直接微型化,而是在物质结构、尺度、材料、制造工艺和工作原理等方面都远远超出了传统机械电子的概念和范畴。广义的微机械除了包含MEMS之外,还应包括微缩后的传统机械,如微型机床、微型汽车、微型飞机等。
微机械日益受到人们的关注,是因为具有诱人的特点:①体积小、重量轻、结构坚固、精度高;②能耗小、响应快、灵敏度高;③性能稳定、可靠、一致性好;④多功能化和智能化,既能感知又能控制环境;③适于大批量生产,成本低廉;且易于更换和设备维修。
二、微机械的制造技术
自上世纪80 年代中期微静电电机研制成功以来,微机械的制造技术迅速发展,制造工艺向多样化、实用化、低成本方向发展,下面介绍几种典型的微机械的制造工艺。
 1.小型机械的制造技术
  这种微机械的尺寸在1~100mm之间,可以看成是传统机械的微缩。它们大都结构复杂、运动也复杂。一般是用传统的工艺(切削加工、特种加工)制造,即用小型精密金属切削机床及电火花、线切割机床加工,制作毫米左右的微型机械零件,是一种三维立体加工技术。其特点是加工材料广泛,但多半是单件加工和装配,因而费用高。目前己用这种方法制造出能开动的3mm长的小汽车和花生米大的微型飞机。
2. 微型机械制造技术
这种微机械的尺寸在10µm~1mm之间,其制造技术有以下几种:
1)硅微机械制造技术
硅微机械制造技术的最大优点是利用了已有的集成电路生产线,电子电路能以微机械结构的形式与机械结构制作在同一芯片上,因而生产率高,成本低廉,这种结构又称为片式结构。
这是一种以硅为材料制造微机械的方法,它有两个分支:

A.集成电路(IC)技术
超大规模集成电路中的各种光刻工艺是微机械制造中的一种主要手段。它是利用物理层蚀刻工艺在硅片上通过淀积、光刻与蚀刻的巧妙结合制作微型机电系统或元件。但是由于刻蚀深度浅,只有几百纳米,微结构陡直性差,仅适用于二维结构和深宽比很小的三维结构。此外,IC工艺仅适用于硅材料加工。由于硅材料的方向性,这种制作仪限于平面工艺,而对于深宽比较大的微结构和其它材料的元件,这种工艺就无能为力了。目前应用这种方法制造的微机械有微型齿轮、微型马达、带有振动片的压力传感器、加速度计和陀螺等。
B.腐蚀成型技术
腐蚀成型技术的特点是在基片上生成一个叫做“牺牲层”的SiO2层。蚀刻后再将其溶解、清洗掉。腐蚀成型技术有湿法和干法两种,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、加工范围宽而倍受青睐;而激光腐蚀法通过辐射剂量调节,能腐蚀加工几乎任何形状的微型机构,这是其它方法所不能比拟的。腐蚀成型技术与IC技术相比,所制造的MEMS更小、更复杂和更精密,结构高度可在20µm以内,加工材料的范围也更加广泛。
C.光刻电铸技术
光刻电铸技术又可分为LlGA技术和准LIGA技术。
德国卡尔斯鲁厄和研究中心微机构研究所开发了一种技术——LIGA(Lithographie Galvanoforming Abfovmung)技术。该技术包括三个工艺过程:深层同步辐射X射线光刻、电铸和模铸成型。这项技术是从半导体光刻工艺派生出来的,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、光刻胶剥离塑胶制作及塑胶脱模成型等组成。这种技术使用X光可以刻蚀微机构的纵向尺寸大于50µm, 横向尺寸小于0.5µm,纵横比高达1000:1,垂直度小于0.2µm,刻蚀深度可达数百微米,刻线宽度几百纳米,是种高深宽比的三维加工技术,可以进行三维任意方向、儿何形状微结构的制作。但LIGA技术需要同步加速器这种昂贵的X射线源,技术复杂,且与IC工艺不完全兼容,因此产品成本高,目前难以形成产业。降低制造成本的途径有两种:一是用LIGA技术制造的模具和铸模大量生产MEMS,二是用准LIGA技术。
所谓准LIGA技术,就是采用传统的深紫外线作为光源代替X光刻光源,并用两次涂胶的办法,加工厚度从数微米到数十微米,与IC工艺兼容,尤其是用于电路集成后的后续机械器件和微电子机械系统。
目前己采用LIGA技术和准LIGA技术制造出了微电机、微连杆、微谐振器和微机器人等。
D.激光微加工
它是上世纪90年代初发展起来的,主要有激光束和各向异性刻蚀相结合的激光蚀刻加工、激光化学辅助微加工等,其优越性是激光器可在市场上买到,容易满足加工条件,发展前景看好。
 E.薄膜制备技术
采用金刚石、陶瓷、超导材料以及各种半导体材料生成的薄膜具有独特的理化性能。其厚度可以小到微米甚至纳米级,而且此时这些材料的特性与具有宏观尺寸(数毫米或更大些)的相同材料有难以想象的差别,例如,硅材料在宏观尺寸时脆性大、强度低,但是在薄膜状态,它却具有很高的韧性,并且不像金属材料那样会产生疲劳破坏。薄膜制备技术将不同的基片材料与相应的薄膜结合起来可构成功能十分复杂的微机械,特别是传感器薄膜一般可以用气相沉积、液相沉积和固相沉积等方法制备。
微型机械的制造技术还有化学异向刻蚀工艺、各相异性等离子刻蚀工艺、晶片粘结工艺、立体平板印刷工艺、平版印刷术和反应离子束蚀刻结合工艺(LIRIE)、激光快速成型工艺等。
3)纳米机械的制造
这种微机械的尺寸在10nm~10µm之间,其制造技术有:
A.聚焦离子束工艺(FIB)
  这是一种无掩膜工艺,具有工艺简单、柔性大、生产率高的特点,特别是离子散射少,分辨率极高,故适合制造线条多而小的复杂图形。
    已有的FIB系统能量束的聚焦尺寸小于10nm , 电流为1nA,具有制造线宽10nm左右的能力。FIB形成图形的最小线宽已达12nm,是利用能束尺寸为8nm、电压为sokey 50keV的Ga+聚焦离子束获得的。
 B.扫描隧道效应显微镜技术
它是当前微机械制造技术所能达到的最小加工尺寸,当隧道电压在2.8~4.3V、隧道电流在150pA~1nA之间变化时,用显微镜探头可以制造出最小线宽在20~30nm、深度在0.5~10nm的各种复杂结构或图形,扫描速度达100~400nm/s。用显微镜探头即可把具有特定理化性质的功能分子、原子,借助于分子、原子内的作用力,组成纳米尺度的分子线、膜和其它结构。例如将48个铁原子在铜表面排列成一个直径为12.4nm的圆环;在探头上加上几伏的电脉冲,可以将单个原子从钼—硒化合物的表面按字母形状拉出来。IBM公司曾用扫描隧道显微镜搬移氙原子和铁原子,而形成 “IBM”的字样,或制成超微型碳分子算盘,其算盘珠是用60个碳分子组成的,再将这些结构和功能单元集成为微机械电子系统,扫描隧道效应显微镜技术制造的复杂图形,还可作为其它刻蚀工艺的掩膜,从而获得高密度和高尺寸纵横比的纳米结构的MEMS。
三、微机械的应用
  微机械可以厂泛地应用于工业、农业、国防、航天、航空、航海、医学、生物、环境、家庭服务、娱乐玩具等领域。
1.微机器人
这是微机械最典型也是最高水平的应用,日本Seiko电子工业公司研制的名为“Yamakoski”行走机器人外形尺寸为8.6mm×9.3mm×7.2mm,微型机器人可以在狭小的空间、细窄的管道中行走、作业、维修等。人们设想把纳米机器人注入人体血管,可以进行健康检查乃至诸如疏通脑血管血栓、消除心脏动脉脂肪沉积物等治疗。
微型机器人一般被大规模地用来完成一项任务,例如利用昆虫作平台,把分子机器人植入昆虫的神经系统中,控制昆虫的飞行方向,收集情报,或使目标丧失功能。在美国,为了跟踪杀人蜂的群体迁移,己成功地将微型电台装在杀人蜂上。
 2.微传感器
这方面的例子很多,如速度传感器、加速度传感器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器、流量传感器等。利用MEMS工艺在硅材料上制作悬臂梁,悬臂梁的活动端制作一个质量块,作为可动电极,它和上下极板构成两个差动电容,在上下极板和可动电极板外加幅度为±Ve的方波电压,可动电极受到静电力的作用。在加速度作用下,质量块上下位移,使之与上下极板间的电容量发生变化,上下两个电容的差值反应加速度的大小。电路系统与传感器机械部分制作在同一块硅片上。
 3.微机构
国际上,己发明了尖端直径为5µ的微型镊子,可以夹起一个红血球。
 4.微传动元器件
一种3K行星轮系由以下部分组成:一个太阳轮作为输入,不带保持架的三个行星轮和两个内齿轮。两个内齿轮的齿数差为3,能产生缓慢的相对移动,一个内齿轮固定在机架上,另一个作为输出构件。整个轮系直径1.9mm,齿轮模数38µm ,传动比为47。轮系是用LIGA技术制造的。
    有一种圆形齿轮泵,尺寸为Ø0.6mm×0.5mm,另一种NiFe合金的卵形齿轮泵,齿轮尺寸为Ø0.9~Ø1.3mm×2.0mm,齿轮模数为40µm。
5.微仪器仪表、微控制器
如微流量计、微流体阀、微地震仪、微集成相机等。
  6.微型机器
这里是指传统机器的微缩形态。日本Nippondenso公司研制了尺寸为4.5mm×1.8mm×1.8mm的微型汽车。一个外形尺寸为32mm×25mm×30.5mm、质量为100g、主轴功率1.5W的微型车床,用它切削Ø2mm的细棒时,表面粗糙度Rmax在进给方向为1.5µm,在圆周方向为2.5µm,切削精度与常规车床相当或更高。另有一种微型挖掘机,长度仅为63mm。
四、微机械的市场前景
  据资料统计,在美国,微系统或微元件的销售总额每年增长20%~30%,微系统的最大市场在汽车和信息产业。主要器件有汽车安全气囊加速度计、汽车和医用压力传感器、读/写磁头和喷墨打印头。年销价增长最快的微系统是微流量系统和光学系统。
我国已经开展了微型直升飞机、力平衡加速度传感器、力平衡真空传感器、分裂漏极磁场传感器、集成压力传感器、微型泵、微喷嘴、微流量计、微电泳芯片、微马达、纹模式硅电容式微传声器、微谐振器和微陀螺等多项微机械器件的研究工作。
MEMS在美国已经从实验室走向产业化轨道。据美国北卡罗来纳电子中心MEMS技术应用中心预测, MEMS的潜在币场主要包括汽车加速度计、压力、化学、流量传感器、微光谱仪及次性血压计等微型仪器产品。

 
 
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