微机械加工
微细机械加工技术
能化等 传统机 械无法 比拟 的优 点 ，在 精密模 具 、航
空航天 、精密 仪器 、生物 医疗 等领域 有着广 阔 的应 用 潜力 ，并成 为纳米 技术研 究 的重要 手段 ， 因而受 到欧美等 发达 国家 的高度 重视 ， 被列 为 ２ 世 纪 重点 １ 发展 的关键技 术 。 微 细 机 械 加 工 技 术 是 制 造 微 机 械 的关 键 和 基
要 求 。图 ２为用单 晶金 刚石 刀头加 工的微 型丝杠 。
化 蚀除金 属 的一种加 工技 术 。
由于其在微 细轴 孔加 工及微 三维 结构 制作 方面
存 在 的巨大潜 力和应 用背 景 ，得 到 了高度 重视 。实 现 微细 电火花 加工 的关键 在于微 小 电极 的制作 、微
小能量放 电电源 、工 具 电极 的微 量伺 服进 给 、加 工
间脉冲火 花放 电产 生 的瞬 时、 局部 高温来熔 化和 汽
２ 微细 切 削加工
微细 切 削技术 是一种 由传统 切 削技术 衍生 出来 的微 细 切削加 工方法 ，主 要包 括微 细车 削、微细 铣 削、微细 钻 削、微 细磨 削、微 冲压 等 。微 细车 削是 加 工微 小型 回转类 零件 的主要 手段 ，与宏 观加 工类 似 ，也 需要微 细车床 以及 相应 的检 测与控 制系统 ， 但 其对 主轴 的精度 、刀 具 的硬 度和 微型化 有很 高的
微 细 钻 削 的关 键 是微 细钻 头 的制 备。 目前 借助 于 电 火花 线 电极磨 削可 以稳 定地制 成直 径为 １ ｍ 的 ０ｐ
钻 头 ，最小 的可达 ６５ｐ ． ｍ。微细 铣削可 以实现 任
意 形状 微三维 结构 的加 工 ，生产效 率高 ，便于扩 展
状 态检测 、系 统控制 及加 工工 艺方法 等 。
微机械及微细加工技术
上海海洋大学
刘璇
5.2 微细切削加工
概念：微细切削是一种三维实体加工技术，可 制作毫米级尺寸以下的微机械零件。
常用的方法主要包括微细车削、铣削、钻削、 冲压，适合所有的金属材料、塑料及工程陶瓷 等。但多是单件加工，单件装配，其批量制作 可通过模具加工、电铸、注塑等方法实现。
图5-4是采用金刚石车刀车削而成的11um轴做 电极，在厚度为20um的金箔上加工出19um微 孔的扫描电子显微镜图片。
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5.2.2 微细钻削
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5.2.3 微细铣削
微细铣削技术因具有高精度、高效率、 高柔性、能加工复杂三维形状和多种材 料的特点，已成为一个非常活跃的研究 热点。
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刘璇
5.1.2 微细加工技术
微细加工大致分四类：
1.分离加工—将材料的某一部分分离出去的加 工方式，如分解、蒸发、溅射(可去除材料， 也可增加材料)、破碎等；
2.接合加工—同种或不同材料的附和加工或相 互结合加工，如蒸镀、淀积、掺入、生长、 就结等；
3.变形加工—使材料形状发生改变的加工方式 ，如塑性变形加工、流体变形加工等；
4.材料处理或改性，如一些热处理或表面改性
上海海洋大学
刘璇
等。
5.1.2 微细加工技术
微细加工技术概念：微细加工技术是指制作微 机械或微型装置的加工技术。
主要包括：微细切削加工技术、硅微细加工技 术、LIGA技术等。新的高科技微细加工方法 层出不穷，如聚焦离子束(FIB)微细加工技术、 微/纳压印加工技术等。这些技术曾经广泛应 用于大规模和超大规模集成电路的加工制作。
微机械加工
微机械加工应用趋势与前沿技术简述摘要：微机电系统（MEMS）是由电子和机械组成的集成化器件或系统，采用与集成电路兼容的大批量处理工艺制造，尺寸在微米到毫米之间。
尤其将计算、传感和执行融为一体，从而改变了感知和控制自然界的方式。
本文介绍了微机电系统近几年应用领域及前景展望，并简单阐述了关于微制造的几种前言加工技术，从而对MEMS系统有一个粗略的了解。
关键字：MEMS 应用领域前景前沿技术 LIGA技术前言微型机械加工或称微机电系统（MEMS），早在1959年就由着名的物理学家理查德·范蔓（Richard·Feynman）提出其概念，然而此后数十年间的发展并未受到过多的关注，直到近年来才逐渐发展成为一门交叉学科。
MEMS主要包括微型传感器、微型执行器以及相应地处理电路三部分。
作为输入信号的各种信号首先通过微传感器转换成电信号，经过信号处理以后，再通过微执行器对外部世界发生作用。
传感器可以把能量从一种形式转换成另一种形式，从而将现实世界的信号（热、化学、运动等）转换成系统可以处理的信号（如电信号）。
信号处理器则可以对信号进行转换、放大和计算等处理。
执行器根据信号处理电路发出的指令来完成人们所需要的操作。
MEMS的快速发展只不过是10多年的时间，却已在各个应用领域显示出强大的生命力，甚至单个领域的MEMS器件就已经形成了一个较大规模的产业。
面向21世纪，MEMS将逐步走向实用化，并被广泛应用于国防、航空、航天、通信、环保、生物工程、医疗、制造业、农业和家庭。
在某种意义上，可认为MEMS是“信息化带动工业化”的一个典范。
一、应用领域与前景展望作为信息获取关键的传感MEMS，已成功应用于汽车、电子等行业和军事领域；在令人瞩目的信息技术和生命技术的发展中，MEMS更将发挥不可估量的作用：光MEMS被认为是开启通信之门的钥匙；RF MEMS将成为移动通信的一项核心技术；高密度MEMS生物芯片将强有力地推动生命科学和生物技术的发展。
浅论微型机械加工技术及其应用
术一般采用万 向腐蚀剂 、异向腐蚀剂对单晶硅进行化学腐蚀 ，等到形成 不 同形状 的硅体后就移走腐蚀剂 ， 再利用薄膜喷镀 、晶体移植、粘合等 技术来增 添所需材料，从而制成各种所需的微型机械元件。采用整体微 加工技术制成的微型机械各元件之间相互联结而达到非常精确匹配的结 构性能 ， 但是单晶硅 内形成的元件都是薄膜型结构 （ 单簧、箔片、桥形 体等 ），或者是孔腔和 凹凸型结构（ 洞孔、曲边、槽道等） 。这些元件只 能制造各种传感器 ， 因而严重限制了微型机械的结构设计和应用潜力。 ２ 微型 机械 加工 技术 的应 用
１ 微型 机械 加工技 术
１１ 集成 电路 Ｊ －技 术 ． ｊｒ ｎ
集成 电路加工技术是一种制作大规模集成 电路的平 面加工技术 ，目 前 已经成为一种较成熟 、发展快 的微型机枕 ９工技术。这种技术的优点 口 在于 ：第一 ，它和集成 电路具有非常好 的相容性 ，所 以，目前它已经成 功地运用于微型机械的光显示器 、加速度传感器等。第二 ，在制作微型 机械零部件中 ，该技术可以将刻蚀深度 降到最低 ，只有数百纳米 。但其 局限性在于只能用来制作硅材料的零部件。
构件。键合加工技术用于硅一硅直接键合 ，最大好处就是省去了磨片减 薄、抛光等复杂的工艺 ，从而为制造微 型机械构件节省 了大量时间。同 时， 键合加工技术还可以进行硅—玻璃键合 ，并通过与其它加工技术 的 结合而形成了掩 映一无掩膜腐蚀技术 、片上封装技术 、防粘附技术等 ，
为制作多层结构的微型机械构件创造了十分有利 的条件。 １７ 整 体 微 机 械 加 工 技 术 － 采用整体微加工技术来进行微型机械加工时，一般选用硅材料，因 为硅的导电性 能、伸缩性能非常好 ， 适合制造 １ Ｏ 大小的零件 。该技 ｍ
Wafer Process工艺制造流程
3. 技术说明
3.1 微机械加工
3.1.1 清洗
简 介：清洗工艺在于去除衬底材料表面的有机物、金属玷污以及
非金属玷污，超临界二氧化碳干燥能够去除微小结构中的玷污，同时
防止释放的微结构黏附在衬底上。清洗工艺包括标准清洗、去胶清洗、
薄膜淀积前清洗、超临界干燥、兆声清洗。
处理材料：直径为 100mm 的硅片、玻璃片以及 SOI，厚度范围 400－
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服务指南
浮液在铸铁磨盘上进行精磨，最后用 SF1 抛光液在聚胺酯盘上进行抛 光。抛光表面平整度可达到 2μm，粗糙度在纳米量级。 处理材料：硅片，大小小于 4 寸
粘片机
平整度测试仪
抛光机
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服务指南
3.2 封装 3.2.1 划片
划片机利用高速旋转的镶嵌金刚石颗粒的超薄刀片，在水冷却的 条件下将大片的器材切割成小片。其最典型应用是将半导体圆片划成 芯片，是电子产品生产中不可或缺的设备。本划片机可对多种基材进 行切割划片,包括:硅片、陶瓷、玻璃等，切割精度高。 设计规范
几个微米厚的薄膜。扩散工艺包括高电阻率硼扩散工艺、低电阻率硼
扩散工艺。
处理材料：符合进炉净化标准以及承受处理的温度，衬底材料直径
100mm，厚度 400-1500um。
（1）高电阻率硼扩散工艺
条件
温度
结深
方块电阻 设备
硼源 GS－126 950－1150ºC 0.1－0.5um 100Ω / 扩散炉
STS Multiplex ICP alcatel 601E 设备
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服务指南
介绍：
可以对硅材料进行各向异性的干法刻蚀，具有高深宽比，刻蚀速度快
等优点。
加工尺寸 掩膜材料 腐蚀速率 腐蚀效果
微机械及其制造加工技术
微机械及其制造加工技术摘要：微机械制造工艺是我国现代化工制造的重要模块。
微细切削加工技术与微机械制造技术的研发，扩大了机械化的影响范围。
基于此，具体介绍了微细车削、微细铣削、超微细切削这三项微机械细切削加工技术，并详细阐述了Vision Pro PC、印刷电路+MEMS、纳米载体这几种微机械制造工艺，分析了促进微机械和制造行业的可持续发展的方向，希望能够为微机械制造领域的发展提供参考。
关键词：微细切削；机械制造；纳米载体引言：现代机械制造工艺和精密加工技术不断发展，传统制造手段已经很难满足化工产业需求。
因此有必要探究现代化机械制设计制造工艺，创新精密加工技术，使微机械设计满足“高、精、尖”要求，降低设备制造能耗。
微细切削是一种加工精度高于其他工艺的微小零件加工技术，而微机械制造则是指用于制造微米领域中三维力学机械系统的制造工艺，两者在机械发展中都起到了重要的推动作用[1]，因此，工作者应深入分析微细切削加工与微机械制造，并采取有效措施，优化两种技术工艺的应用效果，提升科技发展水平。
1.微细切削加工借助微细车削、微细铣削、超微细切削技术等满足对微小元件的加工需要，节省人力、物力、时间成本，优化微机械产品的生产效率和质量，提高化工企业产品生产力。
1.1微细车削就目前来看，微细切削加工工艺分为车削、铣削、超微细切削等多种类型，其中微细车削工艺的运行主要依赖于由光学显微装置、长约200mm微细车床、控制单元、监视器组成的车削系统。
该系统的参数为，转速3000~15000r/min、主轴功率0.5W、装夹工件直径0.3mm、径向跳动1μm、横纵方向给进分辨率4r/min。
在加工中，操作者可以利用系统中的光学显微镜，观察车削加工状态，同时使用专用的工件装卸设施，保障加工精度。
在此过程中，考虑到工件的直径通常较小，所以应以较小的幅度，来进行横纵移动车削。
此外，在细微车削系统的研发中，曾经用0.3mm的黄铜丝作为毛坯，来测试车削加工的精度，结果显示，该系统能够将黄铜丝毛坯的直径切削至10μm，还可以将其制作成一个螺距12.5μm、直径120μm的丝杠，呈现出了高精度的微米尺度零件加工效果，可以用于硬度、强度较高的材质加工，有助于微细切削工艺的发展。
第36节微机械及其微细加工技术
➢ 光开关、波分复用器、集成化RF组件、打印喷头
娱乐消费类
➢ 游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具
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3.6 微机械及其微细加工技术
微机电技术已经受到工业发达国家的 高度重视。从微机电发展的总体水平看， 许多关键技术已经突破，正处于从实验 室研究走向实用化、产业化阶段。
• 美国国家自然科学基金、先进研究计划、 国防部等投资1.4亿美元进行微机电系统 技术的研究。
精度高，重量轻，惯性小。
2.性能稳定，可靠性高。 微机械器件体积极小，封装后几乎
可以摆脱热膨胀、噪声和挠曲等因素的 影响，具有较高的抗干扰性，可以在比 较恶劣的环境下稳定工作。
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3.6 微机械及其微细加工技术
3.能耗低，灵敏性和工作效率高（响应时 间短） 。 完成相同的工作，微机械所消耗的 能量仅为传统机械的十几或几十分之一， 却能以数十倍以上的速度运作。微机电 系统不存在信号延迟等问题，从而更适 合高速工作。
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3.6 微机械及其微细加工技术
2. MEMS在医疗和生物技术领域的应用 生物细胞的典型尺寸为1～10um，生
物大分子的厚度为纳米量级，长度为微 米量级。微型器件尺寸也在这范围之内， 因而适合操作生物细胞和生物大分子。 另外，临床分析化验和基因分析遗传诊 断所需要的各种微泵、微阀、微镊子、 微沟槽、微器皿和微流量计等。
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3.6 微机械及其微细技术加工
• 我国的微系统研究起步并不晚，目前从 事微机电系统研究的单位有60多个，主 要集中在高校、中科院及信息产业部的 研究所。已积累了一些基础技术，取得 了一些传感器和微执行器的研究经验和 科研成果，多数为实验室产品，商品化 工作刚刚起步，离产业化要求相距甚远。
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先进制造技术-5-6微机械及微细加工技术
五、微机械及微细加工技术1、微机械简介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，使现代制造成为一个系统，即现代制造系统的自动化技术。
另一个就是寻求固有制造技术的自身微细加工极限。
探索有效实用的微细加工技术，并使其能在工业生产中得到应用。
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、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力，受到世界各国的高度重视并被列为21世纪的关键技术之首。
比如，美国宇航局投资1亿美元着手研制“发现号微型卫星”；说明：卫星有大型、小型卫星、微型卫星和纳米卫星，区别是：小型卫星为一种可用常规运载器发射的航天器，质量为100～500kg；微型卫星定义为所有的系统和子系统都全面体现了微型制造技术，质量为10～100kg；纳米卫星是一种尺寸减小到最低限度的微卫星，质量为1～10 kg。
在航天发展史上，由于受运载能力及技术水平的限制，早期研制的卫星都采用小卫星方案，其重量只有几十千克。
70年代末，由于大推力运载火箭的研制成功和设计与制造能力的提高，大型多功能卫星开始出现，卫星体积不断增大，功能也越来越复杂。
随之而来的是成本不断攀升，风险逐渐增加。
如一枚“大力神”／“半人马座”运载火箭连同所发射的侦察卫星价值可达10.5亿美元以上，一旦发射失败就会造成严重的损失。
而且，卫星一旦被淘汰，形成严重的太空污染。
为此，航天界又将目光重新投向了小卫星。
由于技术的进步，特别是微电子技术的进步，新一代的小卫星采用了许多小型高性能电子部件，但它们同样具有一些大型卫星才有的功能，并为小卫星进一步微型化，进而为微型卫星、纳米卫星的发展奠定了基础。
纳米卫星的概念最早是由美国宇航公司于1993年在一份研究报告中首次提出的，它带来了小卫星设计思想上的根本变革。
纳米卫星是以微机电一体化系统(MEMS)技术和由数个MEMS组成的专用集成微型仪器(ASIM)为基础的一种全新概念的卫星，重量在10千克以下，甚至可降低到0.1千克以下。
微机械及其微细加工技术
第三节 微机械及其微细加工技术
a) LIGA 工艺得到的三个镍材料的微型齿 轮，每个齿轮高100m
b) 组装后的电磁驱动微马达的SEM 照片，由 牺牲层和LIGA技术获得，转子直径为150m， 三个齿轮的直径分别为77m,100m和150m
第三节 微机械及其微细加工技术
微机械具有以下几个基本特点：
体积小，精度高，重量轻。 性能稳定，可靠性高。 能耗低，灵敏性和工作效率高。
多功能和智能化。
适于大批量生产，制造成本低廉。
第三节 微机械及其微细加工技术
一些典型的微机械产品
研制国家及单位 主要工艺方法 美国斯坦福大学，加州弗里蒙特新传感器制造公司，日 异向刻蚀工艺及加硼控制 本横河电机公司等 法 微加速度传感器 航空航天，汽车工业 美国斯坦福大学， 制版术和 加州弗里蒙特新传感器制造公司， 刻蚀工艺， 德国卡尔斯鲁核研究中心微结构技术研究所， LIGA技术 瑞士纳沙泰尔电子和微型技术公司等 微型温度传感器 航空航天， 美国斯坦福大学， 制版术和 汽车工业 加州弗里蒙特新传感器制造公司等 刻蚀工艺 德国慕尼黑夫琅霍费固体工艺研究所等 制版术和 螺旋状振动式压力传感器和加 航空航天， 速度传感器 汽车工业 刻蚀工艺 智能传感器 微机械人 德国菲林根施韦宁根微技术研究所 制版术和 刻蚀工艺 微型冷却器 制版术和 航空航天和电子工业， 美国斯坦福大学， 用于集成电路中 加州弗里蒙特新传感器制造公司等 异向刻蚀工艺 微型干涉仪 类似于电子滤波器 美国IC传感器制造公司等 制版术和 刻蚀工艺 硅材油墨喷嘴 计算机设备 美国斯坦福大学 异向刻蚀工艺 分离同位素的微喷嘴 核工业 德国卡尔斯鲁核研究中心微结构技术研究所等 LIGA技术 微型泵 医疗器械， 日本东北大学，荷兰特温特大学，德国慕尼黑夫琅霍费 刻蚀工艺 电子线路 固体工艺研究所等 和堆装技术 微型阀 医疗器械 德国慕尼黑夫琅霍费固体工艺研究所 制版术 和刻蚀工艺 微型开关（密度12400个/cm2) 航空航天和武器工业 美国明尼苏达州大学 制版术 和异向刻蚀工艺 分离层技术， 微齿轮，微弹簧及微曲柄，叶 微执行机构，核武器安 美国加利福尼亚大学伯克利分校， 片，棘轮 全装置 圣迪亚国家实验室 制版术 和刻蚀工艺 直径的微静电电机 分离层技术 计算机和通讯系统的控 美国加利福尼亚大学伯克利分校， 制 麻省理工学院 产 品 硅压力传感器 主要应用领域 航空航天，医疗器械
微机电系统及微细加工技术
微机电系统及微细加工技术微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）是一种将微米尺度的机械结构、电子元器件和微处理器集成在一起的技术。
它利用微细加工技术来制造微小的机械设备和传感器，以实现对物理量、化学量和生物量的检测、测量和控制。
微机电系统的核心是微细加工技术，它是一种将传统的集成电路制造技术与微机械加工技术相结合的新技术。
通过微细加工技术，可以在硅基材料上制造出微小的机械结构和电子元器件，从而实现微机电系统的功能。
微机电系统的制造过程包括多个步骤，其中最关键的是光刻、薄膜沉积和蚀刻。
光刻是将光敏树脂涂覆在硅基材料上，并利用光刻机将图形投射到光敏树脂上，然后利用化学蚀刻将暴露在光下的部分去除，形成所需的结构。
薄膜沉积是将金属或者绝缘材料沉积在硅基材料上，用于制作电极、传感器等部件。
蚀刻是通过化学反应将硅基材料腐蚀，从而形成微小的结构。
微机电系统具有多种应用领域。
在生物医学领域，微机电系统可以用于制造微型传感器，实现对生物体内生理参数的监测。
在环境监测领域，微机电系统可以用于制造微型气体传感器，实现对空气中有害气体的检测。
在信息技术领域，微机电系统可以用于制造微型显示器和微摄像头，实现信息显示和图像采集。
此外，微机电系统还可以应用于汽车行业、航空航天领域和工业控制领域等。
微机电系统在实际应用中面临着一些挑战。
首先，微机电系统的制造过程非常复杂，需要高度精确的设备和工艺控制，制造成本较高。
其次，微机电系统的性能和可靠性受到环境和温度的影响，需要进行合理的封装和温度补偿。
最后，微机电系统的集成度和功耗也是一个挑战，需要在保证性能的同时尽量减小尺寸和功耗。
微机电系统是一种基于微细加工技术的新型集成技术，具有广泛的应用前景。
随着微细加工技术的不断发展和改进，微机电系统将在多个领域发挥重要作用，为人们的生活和工作带来更多便利和创新。
微机械加工技术的现状及其发展趋势(上)
ｍ ｎ ｆ ｃ ｕ ｉ ｇ ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ａ ｕａ ｔｒｎ ｅ ｈｏｏ ｙ
ｍ ｃｏａ ｈｎｎ ｉ ｒ ｍ ｃ ｉ ｉｇ
Ｏ 引 言
随着 人类 社会全面 向信息化迈进 ，信 息系统的微型化 、多 功能化和智 能化是人们不 断追求 的目标 ， 也是 电子整机部门的迫
（ ）欧洲 称微系统 （ ｉｒ ｓ ｓ ｅ ｓ 、微结构 （ ｉ ｒ ３ ｍ ｃｏ ｙ ｔｍ ） ｍｃｏ
代 力 学 、化 学 、 生物 学 等 基础 学科 ， 以及 机 械 、 电 子 、材 料、信息等各工程技 术学科 。其研 究及 开发 内容包括基础研 究、
设计 、工艺、测试、材料、应用等诸多方面。这个领 域已受到世 界各发达国家的广泛重视 。 它在汽车、 生物医学工程 、 航天航空、 精密仪器、移动通信 、国际科技等方面都有极 大的发展潜力 。 它 的现实和潜在 的应用 ， 将会给 国民经济和 国家安全带来巨大的好 处，是未来 国民经济新的增 长点；据预测，２ 世纪初可带动 １ １ 万
２ ３ 多 学科 交叉 ．
Ｍ Ｍ Ｅ ｓ涉 及 电子 、机械 、材 料、制造 、信 息与 自动控 制 、 物 理、化学和生物等多种学科 ，并集约 了当今科 学技术发 展的
许 多尖端 成 果 。
（ ）日本 称微机 械 （ ｉｒ ａ ｈ ｎ ） ２ ｍ ｃ ｏｍ ｃ ｉｅ 。日本微机械中心给
２ ２ 集成 化 ．
ＭＭ Ｅ Ｓ包含 有数字接 口、 白检 、 自调 整和总线兼容等功能 ， 可 以把不同功能、 同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行 不 器集成于一体 ， 或形成微传感器陈列 、微执行器 陈列 ， 甚至把多 种功能 的器件集成在一起 ，形成复杂 的微 系统 。微传感器 、 微执 行器和微 电子器件的集成可制造 出可靠性 、 稳定性很高的Ｍ Ｍ 。 Ｅ Ｓ
微机械及其微细加工技术的现状和应用研究
技术制成的，不 同 的是传 统集成 电路 大部分属
于二维 蚀 刻 ，而 微 机械 则 需 三 维 蚀 刻 。微 细 加
工不 仅涉 及到 物理、化学和 精密 机械 等方 面 ， 而且需要研究材料 和器件 的微观 （ 小到原子或
分 子级 尺 寸 ）性 质 。微 细 加 工 的 两 个 基本 特 征
ｅｈ ｃ ｓｍ） ｃ ａ ｓ ｔ 。微机 械的问世引起 了 ｌｙｅ
制造技术的一次革命。微加工技术在微机械的发
展过程 中 占有主导地 位， 着关 键作用。Ｍ Ｍ 起 ＥＳ
体积小 、 重量轻是利用微细加工技术和某些特殊 功能材料 ， 将机构及其致动器、 控制器 、 传感器、 电 源等集成在一个微小体积 范围内． 发挥机械功能 的机电一体化产品， 是机、 、 、 、 电 光 磁 化学 、 自动控 制、 传感技术 与信息处理等多种技术 的综合 。功 能比较齐全的微机械就是一个微机电系统 ， 其代 表装置就是微机器人。当然 ， 它的实现必须有相 应的基础理论及制造技术的支撑
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微机械 及其微细加工技术 的现状和应 用研究
１ １
微 机 械 及 其微 细 加 工技 术 的现状 和应 用研 究
Ｔｈ ｅ ｅ ｔｓｔ ａ ｉ ｎ ａ ｄ Ａｐ Ｕ ａ ｉｎ ｔ ｄ ｅ Ｐｒ ｓ ｎ ｉｕ ｔ ｎ ｐ ｃ ｔｏ Ｓ ｕ ｙ ｏ
ｉ ｔ ｎｔｃ ｎ ｌ ｙａｅ ｐｅｅ ｔ ｆ ａｏ ｅｈ ｏ ｇ ｒ ｒｓｎｅ ｃｉ ｏ ｄ．ｎｎ ｌ ．ａ ｐｉａ ｏ ｔｄ ｉ ∞ ｏ ＭＳ ｉ ｉｔ ｄ ｃｄ． ａｌ ｐ ｌ ｔ ｎ ｓ ｙｄｒ ｖ ｃｉ ｕ ６ ｆＭＥ ｒ ｕｅ ｓｎｏ
Ｋｅ ０ｄ ： 口 ｅＩ ｙｗ ｆｓ ⅢＤｃｒ （ Ｅ Ｓ ｌ ＭＭｊ
微型机械加工技术发展现状和趋势及其关键技术
成制 造 ， 格低 廉 ， 价 将广 泛地 应用 于人 类生 活众 多领
域 。可 以预料 ， 本世 纪 内 ， 型机械 将逐 步从 实验 在 微 室 走 向实 用 化 ， 工农 业 、 息 、 境 、 物 医疗 、 对 信 环 生 空 间 、 防等领 域 的 发展 将 产 生 重 大 影 响 。微型 机 械 国
生 产成本 ； 惯性 小 、 振频 率高 、 谐 响应 时间短 ； 约高 集 技 术成果 ， 附加 价值 高 。微 型 机 械 的 目的 不仅 仅 在
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 ， 发 展不 仅 可带 动 许 多相 关 其
学 科 的发展 ， 更是 与 国家科 技 发展 、 经济 和 国防建设
展。
Ｓ ｎ ｒ、Ｔ Ｔ和 Ｎ Ｆ的 １ 科学 家 在 上世 纪八 十 ｔ ｆｄＡ ＆ ａｏ Ｓ ５名 年代 未 提 出“ 机 器 、 小 大机 遇 ： 于新 兴 领 域—— 微 关 动 力学 的报告 ” 国家 建 议 书 ， 称 “ 的 声 由于 微 动 力学 （ 系统 ） 美 国的 紧 迫性 ， 微 在 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”建 议 中央 ， 财政 预 支费 用为 五年 ５Ｏ 美 元 ， 到美 国领 导 机 Ｏ０万 得
面积 的半导 体 上能 容 纳 更 多 的 电子 元 件 ， 以形成 功
个硅 微 型压 力传感 器 问世 ， 后 开 发 出尺 寸 为 ５ 其 ０～
５０ｍ 的齿 轮 、 轮 泵 、 动 涡 轮 及 联 接 件 等 微 机 ０／￣ 齿 气 械 。１６ ９ ５年 ， 坦 福 大 学 研 制 出 硅 脑 电极 探 针 ， 斯 后
微小型机械零件加工工艺
微小型机械零件加工工艺1微小型机械零件的类别根据微小型机械零件的几何特征，微小型机械零件主要包括微小型轴类零件，微小型三维结构零件，微小型平板类零件及微小型齿轮类零件[1]。
各类型微小型零件被广泛应用在不同的场合中。
1.1微小型轴类零件微小型轴类零件是微小型加工设备中经常遇到的典型零件之一，微小型轴类零件主要用于支撑微小的传动零部件以及传递扭转力矩和承受外界施加的载荷等场合。
从其功用角度出发，微小型轴类零件的加工要求具有高的回转精度以及外表质量，因此对微小型零件的加工商量变得日益重要。
当加工的微小型轴类零件具有较大的长径比时，由于加工过程中无法接受顶尖支撑，切削时在径向切削力的作用下极易使被加工的微小型轴类零件发生弯曲变形，造成被加工零件的翘尾现象。
若加工的微小型轴类零件除了具有轴类零件所具有的典型特征之外，还具有微平面，微沟槽，微细孔等其他特征时，依靠单一的车削加工是无法完成这类微小型轴类零件加工的，需要协作其他加工方式。
1.2微小型三维结构零件微小型三维结构零件的结构特征相对较为冗杂，并不是只具有简洁的回转类以及平面类特征。
由于其结构特征的冗杂性以及零件本身所特有的工艺特征，加大了零件加工的难度。
加工过程中需要根据零件自身的工艺特点，合理地支配加工工艺，并选择尺寸相对较小，精度高，柔性好的微小型加工设备进行加工。
1.3微小型平板类零件以及齿轮类零件微小型板类零件的主要结构特征是平面，除此之外还包括一些其他的结构特征，如台阶面，微型孔，微型槽及不规则的轮廓外表等。
与微小型三维结构零件相比，微小型平板类零件的结构相对简洁，加工方式相对单一，应用微细铣削和微细钻削加工技术即可满足这类零件的技术要求，完成微小型板类零件的加工。
若微小型板类零件的厚度较薄时，加工时需要考虑零件的装夹方式，防止装夹时微型夹具对零件的作用力过大，使零件发生形变。
微小型齿轮加工的难点及重点是其齿形的加工，齿形的加工精度直接关系到齿轮之间的啮合精度及装配之后的使用效果。
体微机械加工技术
体微机械加工技术体微机械加工技术⏹刻蚀技术➢湿法刻蚀各向同性刻蚀各向异性刻蚀➢干法刻蚀等离子体刻蚀刻蚀技术体型微加工技术主要利用专门的刻蚀技术刻蚀出三维微结构。
刻蚀（腐蚀）是一种对材料的某些部分进行有选择地去除的工艺，用它来成型和抛光，使被腐蚀物体显露出结构特征和组合特点，腐蚀方法大体分为两种：化学刻蚀（湿法刻蚀）和离子刻蚀（干法刻蚀）。
湿法腐蚀的机理是基于化学反应，腐蚀时先将材料氧化，然后通过化学反应，使一种或多种氧化物溶解。
硅表面的阳极反应是：Si + 2e+→Si2+（1）O→(OH)-+H+（2）腐蚀液中的电离反应：H2Si2+与(OH)-结合：Si2++2(OH)-→Si(OH)2 （3）腐蚀液选用对硅的各向同性腐蚀，普遍采用氧化剂硝酸（HNO3），去除剂氢氟酸（HF）及稀释剂水（H2O）或乙酸（CH3COOH）混合成的腐蚀剂，通常称之为HF--HNO3腐蚀系统。
对硅的各向异性腐蚀，常用的腐蚀剂有EDP（乙二胺--Ethylene，联氨--Diamine，邻苯二酚--Pyrocatechol）和水，还有KOH+H2O，H2N4+H2O，以及NaOH+H2O等。
一、各向同性腐蚀腐蚀的基本条件是：硅表面必须有空穴，在HF--HNO 3系统中，HNO 3在化学反应过程中会使硅表面产生空穴。
硅表面的反应过程如上（1）、（2）、（3）反应式，随后Si(OH)2放出氢气并生成SiO 2，由于HF 的存在SiO 2反应生成可容的H 2SiF 6SiO 2+6HF→H 2SiF 6+2H 2O (4)几种常用的HF--HNO3系统腐蚀液二、各向异性腐蚀1.硅的各向异性腐蚀机制的主要解释：①硅在不同晶面上的晶包密度可能是造成各向异性腐蚀的主要原因②使硅表面原子氧化所需要的能量不同③（111）面较（100）面更容易产生自身预钝化效应2.腐蚀原理也是通过对硅进行氧化反应，由于KOH+H2O腐蚀液的毒性较小，又易操作，并能腐蚀出良好的表面，故常被采用：KOH+H2O→K++2(OH)-+H+(5)Si+2(OH)-+4H2O→Si(OH)6+2H2(6)3.几种常用的腐蚀剂的配比以及腐蚀特性：4.腐蚀停止技术①控制腐蚀时间②p重掺杂技术③电化学停止技术对于高精度的图案，特别是侧面垂直要求严格的图案，化学腐蚀法很难达到预期的效果。
表面微机械加工工艺流程
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微机械加工应用趋势与前沿技术简述摘要：微机电系统（MEMS）是由电子和机械组成的集成化器件或系统，采用与集成电路兼容的大批量处理工艺制造，尺寸在微米到毫米之间。
尤其将计算、传感和执行融为一体，从而改变了感知和控制自然界的方式。
本文介绍了微机电系统近几年应用领域及前景展望，并简单阐述了关于微制造的几种前言加工技术，从而对MEMS系统有一个粗略的了解。
关键字：MEMS 应用领域前景前沿技术 LIGA技术前言微型机械加工或称微机电系统（MEMS），早在1959年就由著名的物理学家理查德·范蔓（Richard·Feynman）提出其概念，然而此后数十年间的发展并未受到过多的关注，直到近年来才逐渐发展成为一门交叉学科。
MEMS主要包括微型传感器、微型执行器以及相应地处理电路三部分。
作为输入信号的各种信号首先通过微传感器转换成电信号，经过信号处理以后，再通过微执行器对外部世界发生作用。
传感器可以把能量从一种形式转换成另一种形式，从而将现实世界的信号（热、化学、运动等）转换成系统可以处理的信号（如电信号）。
信号处理器则可以对信号进行转换、放大和计算等处理。
执行器根据信号处理电路发出的指令来完成人们所需要的操作。
MEMS的快速发展只不过是10多年的时间，却已在各个应用领域显示出强大的生命力，甚至单个领域的MEMS器件就已经形成了一个较大规模的产业。
面向21世纪，MEMS将逐步走向实用化，并被广泛应用于国防、航空、航天、通信、环保、生物工程、医疗、制造业、农业和家庭。
在某种意义上，可认为MEMS是“信息化带动工业化”的一个典范。
一、应用领域与前景展望作为信息获取关键的传感MEMS，已成功应用于汽车、电子等行业和军事领域；在令人瞩目的信息技术和生命技术的发展中，MEMS更将发挥不可估量的作用：光MEMS被认为是开启通信之门的钥匙；RF MEMS将成为移动通信的一项核心技术；高密度MEMS生物芯片将强有力地推动生命科学和生物技术的发展。
近几年，采用MEMS的发展将对人类生产和生活方式产生革命性的影响，将关系到国民经济发展和国家发展安全保障的战略高技术，已引起了广泛的关注。
微机电系统在国防中的应用美国和西方国家为了掌握现代战争的主动权，大力发展微型飞行器、战场侦察传感器、智能军用机器人，以增加武器效能，军用武器装备的小型化是重要的发展趋势。
MEMS是未来武器中最精华的部分，为了适应这一发展的需要，主要采用的是MEMS技术制造的传感器和微系统。
大量采用MEMS器件，以改进武器性能，已成为美国发展新型高科技武器装备的方向。
根据美国防卫高级研究计划署（Defense Advanced Research Projects Agency）公布的资料，MEMS在武器装备中的主要应用领域包括以下几个方面：武器制导和个人导航的惯性导航组合；超小型、超低功率无线通信（RF MEMS）的机电信号处理；军备跟踪、环境监控、安全勘测的无人值守分布式传感器；小型分布式仪器、推进和燃烧控制的集成流量系统；武器安全、保险和引信；有条件保养的嵌入式传感器和执行器；高密度、低功耗的大规模数据存储器件；敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学器件，以及飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动和共型表面。
航天领域对器件的功能密度要求很高。
因此，MEMS的发展，从一开始就受到航天部门的重视并得到应用。
目前，微型飞行器的研究主要集中在美、日、德等发达国家。
美国LMB公司研制出翼展为45cm的微型飞行器Bat，该机飞行时间20min，飞行速度大约为64km/h，飞行高度457m，1995年，日本东北大学利用MEMS技术，制造出一个靠磁力矩驱动的飞行装置，该装置宽30mm，长20mm，重5.3mg，等等。
美国五角大楼认为，军用微型机器人的发展将有可能改变22世纪的战场。
微机电系统在汽车中的应用汽车工业在过去的20多年里已经是MEMS技术的主要用户，市场规模庞大。
在汽车里采用MEMS产品主要是为了使汽车更安全，驾驶更加舒适，达到政府要求的高燃烧效率和低排放的标准。
早在1988年出现的Smart Car的概念在今天已经成为现实，智能汽车就是以传感器和执行器的广泛应用为基础的。
目前，根据NEXUS的市场研究，典型中级车包括50多个传感器，而豪华车装备100个以上的传感器，其中大约1/3的传感器采用的是MEMS 传感器，应用最多的是硅压力传感器和加速度传感器。
MEMS传感器在汽车中的应用可分为四大类：安全；发动机和动力系；舒适和便利；汽车诊断和健康监测。
微机电系统在生物医学中的应用分子、病毒和细胞的典型尺寸分别为1nm、10nm、10um，由尺寸效应可知，MEMS/NEMS 可以更灵敏、准确、低成本和微创无影响的应用于生物医疗领域。
当前，MEMS及其相关技术和产品已覆盖从检测、诊断到治疗等各种生物医疗领域，主要集中在以下几个领域：人造器官、体内显微手术、临床化验分析、基因分析、遗传诊断和试验仪器，等等。
在匹兹堡大学的Mc Govan再生医学院，正在开发一个生物合成肺来模拟人体正常肺的呼吸功能。
该MEMS装置交织着含有空气或血液的微通道。
这些微通道由细胞隔膜分开，细胞隔膜模拟正常肺的肺泡壁功能。
密苏里大学哥伦比亚分校的研究人员最近示范了一项研究进展——打印器官以器官受赠者的细胞为蓝本以确保与器官捐赠者的生物一致性，通过将打印层和构造层交替层叠的方式构造出打印器官。
二、MEMS技术经过多年的发展，目前已经取得了很大的进步。
目前，国内外制造微机电系统的微细加工技术主要有以下三类。
第一类：以日本为代表的利用传统精密机械技工技术的超精密和特种加工技术。
第二类：以美国为代表的利用化学腐蚀和集成电路工艺技术的硅基微加工技术。
第三类：以德国为代表的LIGA及其相关技术。
微制造技术是MEMS进一步发展的基础，由于MEMS应用对结构、器件和系统在材料、设计、加工、机电系统集成、封装、测试和可靠性等方面的苛刻要求，目前微制造技术仍然还有很多问题有待进一步解决。
特种微细加工技术微细特种加工技术的实用化研究得益于20世纪80年代中期日本东京大学增泽隆久所在的研究室所发明的线电极电火花磨削技术，并在20世纪90年代得到了重大发展，随后出现了微细电火花加工、微细电化学加工、微细超声加工，以及微细激光加工等技术。
硅微机械加工技术微机电系统制造技术是在集成电路工艺和理论的基础上发展起来的。
微机电系统制造技术中除了特种微细加工外，还大量应用了常规的集成电路工艺，如光刻、氧化、掺杂、淀积等微细加工技术。
这类工艺是迅速发展微机电系统的关键工艺。
常规的集成电路工艺主要包括：晶体生长、晶体加工、晶片制备、薄膜成型、光刻、掺杂、蚀刻、切片和封装。
表面微加工技术表面微加工是微机械器件完全制作在基片表面而不穿透基片表面的一种加工技术。
典型的表面微加工需要依靠牺牲层技术。
所谓牺牲层技术，就是在为结构中嵌入一层材料，在后续工序中利用化学腐蚀方法将这层材料溶解释放掉，而不影响结构层本身，这层材料就成为牺牲材料。
这种做法的目的就是分离结构和衬底晶片，制作可变形或可运动的微结构。
表面微加工器件由三种典型的部件组成：牺牲层部分、结构层部分和绝缘层部分。
在实际的制造中，单晶硅片是主要衬底材料，化学气相淀积多晶硅或氮化硅是主要结构层材料，氮化硅薄膜同样可用于微电子结构钝化，它对水蒸气和钠具有良好的扩散阻碍作用，牺牲层通常是通过LPCVD技术将磷硅玻璃或者二氧化硅沉积在衬底上形成，还可以是厚度可达数百微米的多孔硅材料。
体微加工技术体微加工技术，是指利用腐蚀工艺，选择性去掉硅衬底，对体硅进行三维加工，形成微机械元件（如槽、平台、膜片、悬臂梁、固支梁等）的一种工艺。
硅体微加工技术是最早在生产中得到应用的技术，并在20世纪70年代到80年代得到了发展。
目前体微加工主要用于微传感器和微执行器，如压力传感器、加速度传感器、触觉传感器、微热板、红外源、微泵、微阀等。
体微加工技术包括腐蚀和自停止腐蚀两种关键技术。
腐蚀又分为湿法腐蚀和采用气体腐蚀剂的干法腐蚀，对应有不同的自停止腐蚀方法。
键合技术键合技术是制作微传感器、微执行器和较复杂的微结构的连接方法。
硅片键合技术是指通过化学和物理作用将硅片与硅片、氧化层、玻璃或其他材料紧密连接在一起形成一个整体。
硅片键合技术经过几十年的发展，已经形成了适合不同领域的多种键合技术，按照硅片之间有无中间层，硅片键合技术分为两大类：无中间层键合技术和有中间层键合技术。
无中间层键合技术主要有阳极键合技术（也称硅—玻璃静电键合技术）和硅—硅直接键合技术（也称硅热键合）。
有中间层键合技术按照中间层的不同可分为：金—硅共熔键合技术、焊料键合技术、玻璃釉料键合技术、黏合剂键合技术、共晶键合技术等。
在MEMS工艺中，键合是一项关键技术，通过键合可把MEMS部件组装成完整的器件，通常把整个硅片或者每个小单元进行键合在一起。
首先，可以用键和工艺来制作绝缘体硅片（SOI）。
使用SOI硅片制作的MEMS器件可以减少寄生电容和泄漏电流，具有很好的器件特性。
其次，键合技术不仅可以在制作微传感器和微结构中使用灵活多样，还可以得到比较微小带有空腔的结构，并可以满足多层结构的需要。
LIGA技术与准LIGA技术LIGA技术包括深层同步X射线光刻、电铸成型及塑料铸模三个重要环节。
LIGA技术的工艺路线示意图准LIGA技术（也称LIGA技术的变体），记载取代昂贵的X光源和特质掩膜版的基础上开发新的三维微加工技术，其中有紫外线(UV)LIGA、激光(Laser)LIGA、硅深刻蚀工艺的SI-LIGA，以及用离子束刻蚀的IB-LIGA技术等。
目前，LIGA与准LIGA技术已经开发和制造了微传感器、微光学元件、纳米技术元件和系统等。
LIGA技术相对于微制造技术具有一些优势，且具有柔性。
这种技术的实用性和加工的柔性正是通过更先进的工艺、牺牲层技术、多层和倾斜曝光技术、与其他微制造通过多道加工或装配形式形成复合工艺等得以进一步的加强和扩展。
总结MEMS研究在国际上正在进入一个黄金时期，MEMS的基础理论研究、加工技术、跨学科交叉应用等都是全新的研究领域。
在未来的发展中，MEMS领域需要更多的人做出更大的努力，给人类社会带来更多的惊喜，不断提高我们整个世界的品质。
就如美国国家自然科学基金会主席比门特所预测的：微型机械“将成为新崛起的大规模产业，它将引起一场新的工业革命”。