微细与特种加工技术2

几种常见微细加工方法的性能比较
深径(高宽) 微细加工方法 最小尺寸 精度 深径(高宽)比 多维加工能力 表面粗糙度 加工材料 LIGA ++ ++ ++ + 金属、聚合物、陶瓷 金属、聚合物、 ± + + 金属、 刻蚀 ± − − 金属、半导体 + 金属、聚合物、 微细激光加工 − − ± − 金属、聚合物、陶瓷 + + + 金属、 微细铣削 − ± 金属、聚合物 + + + ++ 非铁系金属、聚合物 非铁系金属、 金刚石切削 −− ++ ++ 微细立体印刷 − − − 聚合物 + + ++ ++ + 金属、半导体、陶瓷 微细电火花加工 金属、半导体、
微型机械的发展
44克重微型飞机（MLB） 6英寸微型飞机
6英寸微型直升机-3 （Stanford MLB）
6英寸微型直升机-2 （Stanford MLB ）
带GPS的微型直升机 （Stanford MLB 1995） 8英寸微型飞机
14英寸微型飞机(University of Florida ,1998 )
国内外相关技术研究现状 1）硅基微小型结构与微系统
• 硅基微小型结构制造技术国外已实现标准化， 现已形成了上百条标准工艺线及标准加工工 艺。 • 基于硅基微结构的微传感器国防应用最为广 泛，微惯性器件、无线集成微系统及微小型 推进系统等。 • 开发新的加工技术及微加工技术的模拟与仿 真。 “智能尘埃”示意图及样品照片 PRISMA中拟采用的微推进器
哈尔滨工业大学于2002年整合 年整合 哈尔滨工业大学于 机械、 全校有关的机械 材料、微电子、 全校有关的机械、材料、微电子、 测量、化学、物理等相关学科资 测量、化学、 源成立了微纳米技术研究中心， 源成立了微纳米技术研究中心， 并得到985工程的重点建设。该 工程的重点建设。 并得到 工程的重点建设 中心集成了机械制造、机械电子、 中心集成了机械制造、机械电子、 材料与材料加工、仪器与测量、 材料与材料加工、仪器与测量、
日本东北大学、荷兰特温特大学、德国慕尼黑夫 琅霍费固体工艺研究所等
德国慕尼黑夫琅霍费固体工艺研究所等 美国明尼苏达州大学 美国加州大学伯克利分校、日本东京大学等 美国加州大学伯克利分校和麻省理工学院
牺牲层技术
微小型机械的常用微细加工 方法及性能比较
三维器件的加工制作是实现系统微型化的基础与关键
微机械领域的重要角色不仅仅是微电子部分， 微机械领域的重要角色不仅仅是微电子部分，更重要的是微机械结构或构 件及其与微电子等的集成。这是实现微传感或微制动器件进而实现MEMS MEMS和 件及其与微电子等的集成。这是实现微传感或微制动器件进而实现MEMS和 微作战系统的关键。 微作战系统的关键。 目前可以实现毫米、亚毫米级以下三维器件加工的主要方法有： 目前可以实现毫米、亚毫米级以下三维器件加工的主要方法有： • 光刻制版 • 高能束刻蚀、加工 高能束刻蚀、 • LIGA • 微细特种加工（电火花加工、电解加工、超声加工、激光加工等） 微细特种加工（电火花加工、电解加工、超声加工、激光加工等） • 微细机械加工（车削、铣削、钻削、磨削等） 微细机械加工（车削、铣削、钻削、磨削等）
• 日本东京大学先进科学技术研究所研 制的微操作系统进行了微型涡轮和微 型六和塔的装配 • 德国Karlsruhe大学研制的MinimanIII型微动机器人，可在扫描电子显微 镜下完成10nm以下的高精度微操作， 可以对微小物体进行高精度夹持、搬 运、操作和定位，完成了微型齿轮的 装配。 • 美国Sandia实验室建立了用于微型 LIGA零件装配的实验系统，完成了采
微型飞机(Intelligent (Intelligent Automation, MIT)
重量：3kg 用途：通讯 载波频率： 145812MHz 发送频率： 144MHz
微型飞机(Intelligent Automation, MIT )
微小卫星（法国Aeroclub-俄国 Astronautical Fed.合作）
4）微塑性成形技术
• 微塑性成形是一种低成本、批量生产微 型器件的成形技术。日本Gunma 大学设 计和制造了具有一定实用意义的成形装 置。研究了非晶合金的微挤压成形技术。 • 德国的纽伦堡大学和不来梅大学系统地 研究了铝、黄铜和不锈钢的微小结构的 成形问题。 • 微成形的产品主要有微齿轮、微连接器、 接触针、微型螺杆、接触弹簧、微阀、 微泵等。
5）微铸造技术
• 微精密铸造技术是将传统铸造的低成本、 大批量快速制造技术的优点和前沿的微 机械科技完美结合的一个范例。 • 2004年，德国卡斯鲁研究所发表了该研 究所发明的微熔模精密铸造工艺以及相 关的研究成果，应用微熔模铸造工艺制 备了微叶轮和微喷嘴，整个构件的尺寸 或精细部位的尺寸都处在微米量级。 • 美国麻省理工学院刚刚开展微小构件的 铸造成形研究，其所铸出的微小构件最
美国斯坦福大学、加州弗里蒙特新传感器制造公 司、日本横河电机公司等 美国斯坦福大学、加州弗里蒙特新传感器制造公 司、德国卡尔斯鲁厄核研究中心微结构技术研究 所、瑞士纳沙泰尔电子和微型技术公司等
采用的主要工艺方法 异向刻蚀工艺及 加硼控制法 制版术和刻蚀工艺， LIGA技术 制版术和刻蚀工艺 制版术和刻蚀工艺 制版术和刻蚀工艺 制版术和异向刻蚀工艺 制版术和刻蚀工艺 异向刻蚀工艺 LIGA技术 刻蚀工艺和堆装技术 制版术和刻蚀工艺 制版术和异向刻蚀工艺
典型的微机械产品及采用的微细加工技术
微机械产品 硅压力传感器 微加速度传感器 微型温度传感器 螺旋状振动式压力传感器和 加速度传感器 智能传感器 微型冷却器 微型干涉仪 硅材油墨喷嘴 分离同位素的微喷嘴 微型泵 微型阀 微型开关（密度12400个 /cm2） 微齿轮、微弹簧、微叶片、 微轴、孔等 直径60µm的静电微电机 主要应用领域 航空航天、医疗器械 航空航天、汽车工业 航空航天、汽车工业 航空航天、汽车工业 微机器人 航空航天和电子工业 类似于电子滤波器 计算机设备 核工业 医疗器械和电子线路 医疗器械 航空航天和武器工业 微执行机构 计算机和通讯系统的控制 研制国家及单位
6）微检测技术
• 面向微细加工领域的三维快速超精 密测量已经成为现代测试技术和仪 器研究中的重要课题 • 1981年美国IBM公司发明的扫描隧道 显微镜，该技术具有较高的三维分 辨力，分别可达到10nm和2nm。 • 白光干涉仪是近年在MEMS技术领域 中重要的三维测量技术，美国Veeco 和英国的Taylor Hobson公司相继推 出产品，其轴向测量分辨力已达到
7）微小型结构与系统的数字化 集成与仿真技术
• 数字化仿真技术是融 合建模/仿真技术、现 代信息技术、先进设 计制造技术和现代管 理技术。 • 数字化仿真技术全面 突出了仿真的重要性， 为寻求系统的全局最 优解提供了可行的技 术途径 • 微结构与微系统设计 与仿真工具的研究开 发。微系统商业化设
8）微装配集成技术
集成了17个传感器的机器蚂蚁（MIT）
IROBOT公司的PACKBOT反恐机器人
微小军用机昆虫
微型燃气轮机工作原理
50W微型涡轮机
美国Woods Hole 海洋研究所 RESUM
• 微小型系统的实用化离不开微细 结构的制造技术 • 微细结构的制造方法包括硅基微 制造和非硅精密微制造技术 • 常规与大型系统中也有一些零件 整体尺寸虽不微小， 整体尺寸虽不微小，但局部具有 微细结构 • 微传感器、引信、微喷嘴等迫切 微传感器、引信、 需要提高稳定性和量产。 需要提高稳定性和量产。 • 微细结构加工技术是新世纪提升
系统的微型化不单是指电子系统的微型化，如 果相关的非电子系统小不下来，整个系统将难 以达到微型化的目标。 电子系统可以通过采用微电子技术 微电子技术达到系统微 电子系统 微电子技术 型化的目标；而对于非电子系统 非电子系统来说，尽管人 非电子系统 们做了很大努力，其微型化程度远远落后于 电子系统，这已成为整个系统微型化进一步发 展的“瓶颈”，迫切需要突破。
牺牲层技术、制版术和刻蚀工艺、 微细电火花加工等
美国斯坦福大学、加州弗里蒙特新传感器制 造公司等 德国慕尼黑夫琅霍费固体工艺研究所等 德国菲林根施韦宁根微技术研究所 美国斯坦福大学、加州弗里蒙特新传感器制 造公司等 美国IC传感器制造公司等 美国斯坦福大学 德国卡尔斯鲁厄核研究中心微结构技术研究 所等
3）微细特种加工技术
• 日本东京大学发明的线电极电火花磨削 技术。 • 比利时鲁文大学运用微细电火花加工方 法开展了大量微型机械传感器件、执行 器件的加工研究。 • 美国斯坦福大学利用硅蚀刻技术获得硅 模具，并采用电铸法反求微细电极获得 了具有复杂形状的微细铜电极和银钨电 极。 • 德国MPG采用纳秒级超短脉宽脉冲电流技 术，从而实现了数十微米尺度的的金属
2）精密超精密制造技术
• 日本于1996年开发了世界上第一台微型车 床。2000年又制作了便携式微型工厂。金 沢大学米山猛等人研制了一台微型车削系 统样机。 • 德国阿亨工业大学、卡尔斯鲁大学开展了 对淬火钢和硬铝材料的微型器件的铣销工 艺技术的系统研究。 • FANUC公司开发出了气体静压式的1ｎｍ分 辨率的五轴联动微小型超精密加工中心， 其进给方向直线度为0.3μｍ/200ｍｍ。
总结： 总结： • 目前国内外对微细结构的加工工艺、 制造装备、测试手段、组装集成技 术等进行了大量的研究工作，并逐 步进入工程实用化阶段。 • 建立针对微细结构制造的研发基地， 对各相对独立的方法进行有机集成， 构成较为完善的、可以满足不同材 料和结构加工的、并具有批生产能
哈工大微细加工基地建设 情况简介