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微细加工技术的应用和趋势

作者: 王凌杰 徐钊

  【摘 要】先进制造工艺是先进制造技术的核心和基础,一个国家的制造工艺的水平的高低,在很大程度上决定了其制造业在国际市场的竞争实力。本文主要介绍先进制造工艺中的微细加工技术在现在各个方面的应用及发展。
  【关键词】微机械;微机械加工技术;超微机械加工;光刻加工
  随着微纳米技术的不断发展,以本身形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。微机械由于具有能够在狭小空间内进行作业,而又不扰乱工作环境和对象的特点,在航空航天,精密仪器,生物医学等领域有着广阔的应用潜力,且是实现纳米技术( Nanotechnology ) 的重要环节,因而受到人们的高度重视,被列为21世纪关键技术之首。
   1.微机械的特征
  微机械在美国常称为微型机电系统;在日本称作微机器;而在欧洲则称作微系统。
  微机械按其尺寸特征可以分为1-10mm 的微小型机械,1nm-1mm的微机械,以及1nm-1mm的纳米机械。而制造微机械常采用的微细加工又可以进一步分为微米级微细加工(micro-fabricat ion),亚微米级微细加工(sub-micro-fabrication) 和纳米级微细加工( nano-fabrication) 等。概括起来,微机械具有以下几个基本特点:
  1.1 体积小、精度高、重量轻。其体积可小至亚微米以下,尺寸精度达纳米级,重量可轻至纳克。
  1.2 性能稳定、可靠性高。由于微机械的体积甚小,几乎不受热膨涨,噪声和挠曲等因素影响,具有较高的抗干扰性,可在较差的环境下进行稳定的工作。
  1.3 能耗低、灵敏性和工作效率高。微机械所消耗的能量远小于传统机械的十分之一,但却能以十倍以上的速度来完成同样的工作,如5mm×5mm×0.7mm 的微型泵的流速是比其体积大得多的小型泵的1000倍,而且机电一体化的微机械不存在信号延迟问题,可进行高速工作。
  1.4 多功能和智能化。微机械最终要达到集传感器、执行器和电子控制电路为一体的目标,特别是应用智能材料和智能结构后,更易于实现微机械的多功能化和智能化。
  1.5 适于大批量生产、制造成本低廉。微机械采用与半导体制造工艺类似的方法生产,可以象超大规模集成电路芯片一样一次制成大量的完全相同的部件,制造成本比之传统机械加工大大降低。
   2.微细加工的工艺方法
  2.1 超微机械加工
  超微机械加工是指用精密金属切削和电火花、线切割等加工方法,制作毫米级尺寸以下的为机械零件,是一种三维实体加工技术,多是单件加工,单件装配,费用较高。微细切削加工适合所有金属、塑料及工程陶瓷材料,主要切削方式有车削、铣削、钻削等。
  2.2 光刻加工
  光刻技术主要应用在微电子中。它一般是对半导体进行加工,需要一个有部分透光部分不透光的掩模板,通过曝光、显影、刻蚀等技术获得和掩模板一样的图形。先在处理过后的半导体上涂上光刻胶,然后盖上掩模板进行曝光,其中透光部分光刻胶的化学成分在曝光过程中发生了变化,之后进行显影,将发生化学变化的光刻胶腐蚀掉,裸露出半导体,之后对裸露出的半导体进行刻蚀,最后把光刻胶去掉就得到了想要的图形。光刻技术在微电子中占有很大的比重,比如微电子技术的进步是通过线宽来评价的,而线宽的获得跟光刻技术有很大的关系。
   3.微细加工技术的尖端应用
  3.1 搬迁原子
  1990年,美国圣何塞IBM阿尔马登研究所科学家用STM将镍表面吸附的氙原子逐一移动,最终以35个氙原子排成IBM三个字母。每个字母高5nm,原子间的最短距离为1nm。这一成果开创了人类单原子操纵研究的先河,表明人类不仅可以用SPM观察、测量试样表面上的原子、分子结构,而且可以根据人的意志随意加工制造出原子级的人工结构。将原子、分子进行重新组装、排列成一定的形状,是一种典型的“从下至上”构筑物质结构的最终极形式。1埃0.1纳米。
  3.2 微机器人
  微机器人(Micro-Robot)是相对比较完备的微型电子机械系统(MEMs)的代表。微机器人的应用主要集中在工业领域、医学领域及基础学科研究领域,在移动或处理微组织,区分细胞,DNA分析,运用STM或AFM操纵样品等各项研究方面,微机器人都发挥着重要作用。在生物医疗方面,微机器人可辅助进行细胞区分等辅助诊断以及眼部、脑部微纫手术。
   4.微细加工的重要地位和趋势
  微细加工技术是精密加工技术的一个分支,面向微细加工的电加工技术,激光微孔加工、水射流微细微细加工技术是精密加工技术的一个分支,面向微细加工的电加工技术,激光微孔加工、水射流微细切割技术等等在发展国民经济,振兴我国国防事业等发面都有非常重要的意义,这一领域的发展对未来的国民经济、科学技术等将产生巨大影响,先进国家纷纷将之列为未来关键技术之一并扩大投资和加强基础研究与开发。所以我们有理由有必要加快这一领域的发展和开发进程。
  随着20世纪80年代后期微机械、微机电系统这一门新兴交叉学科的兴起,微细加工技术作为获得微机械、微机电系统的必要手段,得到了快速的发展。微细加工技术起源于平面硅工艺,但随着半导体器件、集成电路、微型机械等技术的发展与需求,微细加工技术已经成为一门多学科交叉的制造系统工程和综合高新技术,广泛应用于医疗、生物工程、信息、航空航天、半导体工业、军事、汽车等领域,给国民经济、人民生活和国防、军事等带来了深远的影响,被列为21世纪关键技术之一。现代制造技术的发展有两大趋势:一是向着自动化、柔性化、集成化、智能化等方向发展,另一个就是寻求固有制造技术的自身微细加工极限。
  未来微机械和微细加工技术的研究仍然要立足于微观理论基础的研究和微细加工技术的探讨开发上。随着人们对微观世界的深入了解和掌握,微细加工技术手段必将发展向更高的层次,促进人类社会通往更高层次的文明时代。
  参考文献:
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论文来源:《网友世界》 2013年第1期
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