最新微机械及其微细加工技术
微机电系统与微细加工技术
广泛应用的新兴技术 。微 系统 的应用主要可 以分为 以下
四个方面 ：
图 １ 微型机器人
２ 微细加工及其关键技术 ．
通过微细加工技术加工 出的三维微 随着微机 电系统 的发 展 ，微 型制 造技 术 作 为实 现 ＭＥ Ｓ Ｍ 技术的关键 也开始引起世界发达 国家的材料科学 工作者和工业界的极大关 注。要想加工 出精密 的微机 电 器件 ， 必须要具备相应微细加 工技术 。
之一 ，它 的特点是生长的外 延层能保持与衬底 相 同的晶 向 ，因而在外延层上可以进行各种横 向与纵 向的掺杂 分 布与腐蚀加工 ，以制得各种结构。
（ ）特种微细加工技术 ６ ①微 细电火花加 工。微细
电火花加工 的原理与普通 电火 花加工并无本 质区别。实
现微细电火花加 工的关键 在于微小轴 （ 工具 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 工状态检测 、系统控 制及加 工工艺方法 等。应用微细 电 火 花加工技术 ，目前 已可加工 出直径 ２５ｍ的微细轴 和 ． ５ｍ的 微 细 孔 ，可 制 作 出 长 ０５ ｍ ．ｍ 、宽 ０２ ｍ、深 ．ｒ ａ
级， 而且有很高的垂直度、平行度和重复精度。ＬＧ ＩＡ
技术包括 以下三个 工艺过程 ： ①深层同步辐射 ｘ射线光 刻。利用同步辐射 ｘ射线透过掩 膜对 固定 于金属基底上 的厚度可达 ０５ ｍ 的 ｘ射 线抗蚀 剂 （ 刻胶 ）进 行曝 ．ｒ ａ 光
光，然后将其显影制成初级模板，该模板即为掩膜覆盖
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刻出极其微细的线条 ， 而且不 产生热量 ，材料受 光束焦
啊 一
图 ２ 微型飞机
点作用处的周 围没有热扩散 和烧 焦现象 。这种准 分子激 光器所产生的远紫外线 ，其波长 为 １３ｍ，重复频率为 ９ｒ ｉ １ｚ Ｈ 或大于 １ ｚ Ｈ ，脉冲宽度 为 １ｎ。一 个脉 冲即可蚀刻 ２ｓ 出几微 米的沟槽 。利用这种激光脉 冲，能够 把材料逐层 剥下来蚀刻出微细 的线条 。氟化氙准分子 激光器产 生的 近紫外线的波长为 ３Ｏ ｍ ０ｈ ，其蚀 刻过程是 ，放在氯 气中
微机械及微细加工技术
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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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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
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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。
微细加工技术
（b）
各向同性刻蚀
（a）各向同性刻蚀（搅拌）；（b）各向同性刻蚀（不搅拌）
2）各向异性刻蚀
各向异性刻蚀是指某个方向上的刻蚀速率远大于另 一方向。刻蚀速度与基底材料的结晶取向密切相关；硅 材料是一种各向异性材料，在3个晶面上表现出不同的性 质。对于特定的刻蚀剂，硅的[100]晶面的腐蚀速度最快， [110]晶面次之，[111]晶面的腐蚀速度最慢。硅各向异性 刻蚀在几何形状控制上具有许多优点，可以制作出许多 具有垂直侧壁的微机械零件。
随着微/纳米科学与技术的发展，以形状尺寸微小或操 作尺度极小为特征的微机械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。
一般认为，微机械依其特征尺寸可以划分为：小型机 械（1mm-10mm），微型机械（1um-1mm）以及纳米机 械（1nm-1um）。从广义来讲，微机械包括微小型机械 和纳米机械。
微细加工是由多项技术构成的一个技术群体，主要 包括：
（1）由IC工艺技术发展起来的硅微细加工技术；
（2）在特种加工和常规切削加工基础上发展形成的微 细制造技术；
（3）由上述两种技术集成的新方法，如LIGA、准 LIGA技术等。
微细加工与常规尺寸加工的区别：
（1）加工精度的表示方法不同：一般尺度加工，加工精 度常用相对精度表示，微细加工用绝对精度表示；
所谓牺牲层技术就是在微结构层中嵌入一层牺牲 材料，在后续工序中有选择地将这一层材料腐蚀掉 而不影响结构层本身。这种工艺的目的是使结构薄 膜与衬底材料分离，得到各种所需的表面微结构。 常用的衬底材料为单晶硅片，结构层材料沉积的多 晶硅、氮化硅等，牺牲层材料多为二氧化硅。
（2）加工机理存在很大的差异：微细加工中加工单位急 剧减小，必须考虑晶粒在加工中的作用；
微细加工工艺技术
微细加工工艺技术微细加工工艺技术是一种应用于微电子、光学、纳米学等领域的高精度加工技术，该技术能够实现对微细结构的精密加工。
在微细加工工艺技术中，常常采用的加工方法有激光刻蚀、化学蚀刻、光刻以及微电子束等。
激光刻蚀是一种应用激光照射，通过激光束的高能量将材料表面局部蚀刻的加工方法。
与传统的机械刻蚀相比，激光刻蚀具有高精度、高效率的优点。
在激光刻蚀中，光束的聚焦度和光斑直径是影响加工精度的重要参数。
化学蚀刻是一种利用特定的化学反应，在材料表面选择性地产生化学蚀刻产物，并将其去除的加工方法。
化学蚀刻通常需要制备特定的蚀刻溶液，通过控制溶液的浓度和温度，来影响化学反应的速率和选择性。
化学蚀刻可以实现微细结构的高精度加工，并被广泛应用于光学元件和微流控芯片等领域。
光刻是一种基于光化学反应的加工方法，通过光阻的选择性暴露和去除，来形成所需的图案结构。
在光刻过程中，首先在材料表面涂敷一层光刻胶，然后利用光刻机的紫外光照射和显影等步骤，实现图案的转移。
光刻具有高精度、高分辨率和高重复性的优点，是微细加工中不可或缺的工艺之一。
微电子束也是一种实现微细结构加工的重要方法。
微电子束利用高能电子束在材料表面定向照射，经过准直、聚焦和偏转等步骤，将电子束的能量转化为对材料的加工作用。
通过控制电子束的参数，如能量、聚焦度和扫描速度等，可以实现对微细结构的精密加工。
微电子束在高精度加工领域具有很大的应用潜力，尤其在微电子器件、光电器件以及半导体器件等方面，具有广阔的发展前景。
总的来说，微细加工工艺技术是一种实现高精度加工的重要方法，包括激光刻蚀、化学蚀刻、光刻和微电子束等。
这些加工方法在微电子、光学、纳米学等领域发挥着重要作用，推动了相关技术的进步和应用的发展。
未来随着科学技术的不断进步，微细加工工艺技术将继续发展壮大，为人类社会带来更多的科技成果和应用产品。
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。
微细加工
1.精度表示方法
一般加工，其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误 差尺寸绝对值表示。
在微细加工时，由于加工尺寸很小，引入了加工单位尺寸的概念。加工单位 尺寸简称加工单位，它表示去除材料的大小。例如，原子加工单位表示能去除一 个原子。显然，加工单位越小，可获得的精度就越高。
第三章 现代制造工程加工技术
SPM探针
介质中的分子 电化学作用区
偏置电压
电致刻蚀原理
第三章 现代制造工程加工技术
到目前为止，利用电脉 冲诱导氧化方法，已经在多 种半导体和金属（如Si，Cr， Nb，GaAs，Au和Ti等）表 面上，制备了所需的纳米结 构或器件。中国科学院分子 结构与纳米技术重点实验室 在氢钝化的p型Si（111）表 面上，利用此法刻蚀出了图 案清晰的中国科学院院徽。
第三章 现代制造工程加工技术
②微细加工刀具 微细切削加工一般采用单晶金刚石刀具。
各种单晶金刚石刀具
单晶金刚石铣刀刃形
第三章 现代制造工程加工技术
2. 微细车削加工
日本通产省工业技术院机械工程实验室（MEL）于1996年开发了世界上第 一台微型化的机床——微型车床。
世界第一台微细车床
车削轴的直径： 0.02mm
高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。
低热变形结构设计。
刀具的稳固夹持和高的安装精度。
高的主轴转速及动平衡。
稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。
具有刀具破损检测的监控系统。
第三章 现代制造工程加工技术
C轴回转工作台 刀具 空气涡轮主轴 B轴回转工作台 X导轨 C 工件 Z导轨
B
空气油减振器
移动 完成
提取
放置
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。
MEMS的发展及其加工技术简介
MEMS的发展及其加工技术简介MEMS的发展及其加工技术简介一、引言随着科学的进一步发展，人类社会正向人性化、多元化的方向发展。
由此孕育而生的多元化技术已经蓬勃发展。
MEMS的出现和发展既是建立在多学科基础之上产生的交叉性学科和技术，它的出现必将为工业技术带来巨大的变革。
微小型化始终是当代科学技术发展的重要方向。
微电子技术的发展,不仅使计算机与信息技术等领域面貌一新,而且在许多领域引发了一场微小型化的革命。
以加工微米/纳米机构和系统为目的的微米/纳米技术在此背景下应运而生。
一方面,人们利用物理、化学方法将原子和分子组装起来,形成有一定功能的微米/纳米结构;另一方面,人们利用精细加工手段加工出微米/纳米结构。
前者导致了纳米生物学、纳米化学等边缘学科的产生;后者在小型机械制造领域开始了一场革命,导致了MEMS 技术的出现。
二、MEMS 技术的国内外发展概况MEMS是典型的多学科交叉的前沿性研究领域,不仅与微电子学密切相关,还与现代光学、气动力学、流体力学、热学、声学、磁学、自动控制、仿真学和材料科学等相互交叉、渗透和综合,几乎涉及到自然与工程科学的所有领域。
MEMS 的主要研究内容是建立在MEMS理论基础和技术基础之上对MEMS设计技术、MEMS 材料、MEMS微细加工及MEMS的应用领域的研究。
MEMS的发展史,最早可追朔到19 世纪。
1962 年,第一个硅微压力传感器问世,其后开发出尺寸为50～500μm的齿轮、气动涡轮、联接件等微机构。
70年代后,美国学者提出了基于硅半导体材料的微机械的设想。
1988年美国加州大学伯克利分校Muller 研究小组发明了转子直径为60～100μm 的硅静电电机,在当时引起很大轰动,它表明了应用硅微加工技术制造微小可动结构的可行性,与集成电路兼容制造微小系统的优势。
同期,MIT、Berkely、Stand—ford等大学和AT&T及NSF 的15名科学家向美国政府提出MEMS研究建议。
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
微细加工技术的应用和趋势
改造 客观世 界 的一种 高 新技 术 。微机械 多 的小型 泵 的１ ０ ０ ０ 倍 ，而 且机 电一体 化 蚀 ，最 后把 光刻胶 去掉 就得 到 了想要 的
由于 具有 能够在 狭 小空 间 内进 行 作业 ， 的微 机械 不存 在信 号延 迟 问题 ，可进 行 图形 。光刻技 术在 微 电子 中 占有 很大 的 比重 ，比如微 电子应用 ３ ． １搬迁原子 １ ９ ９ ０ 年 ，美 国圣何塞Ｉ Ｂ Ｍ Ｎ尔马登研
而 受 到人们 的高 度重 视 ，被 列为 ２ １ 世 纪 和智 能结 构后 ，更 易于 实现 微机 械 的多 关键 技术 之首。 功能化和智能化 。
１ ． 微机械 的特征
１ ． ５ 适 于大批 量生 产 、制 造成 本低 究所科 学家用Ｓ Ｔ Ｍ 将镍表面 吸附的氙原子
５ 个氙 原子排成 Ｉ Ｂ Ｍ － ＝ 微 机 械 在 美 国 常 称 为 微 型 机 电系 廉。微机械采用与 半导体制造工艺类似的 逐一移动 ，最终 以３ 统 ；在 日本 称作 微机 器 ；而在 欧 洲则称 方法生产 ，可以象超大规模集成 电路芯片 个字母 。每个字母 高５ ｎ ｍ ，原子间的最短 作微 系统。
而 又 不扰乱 工作 环境 和对 象 的特 点 ，在 高速工作 。
航 空航 天 ，精密 仪器 ，生物 医学 等领域
１ ． ４ 多功能和 智 能化 。微 机械 最终 宽 来评 价 的，而线 宽 的获得跟 光刻 技术
有 着广 阔 的应用 潜 力 ，且是 实现 纳米技 要达 到集传 感 器 、执行 器和 电子控 制 电 有 很 大 的关 系 。 术 （Ｎ ａ ｎ ０ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ） 的重 要 环 节 ， 因 路为 一体 的 目标 ，特别 是应 用智 能材 料
MEMS加工技术及其工艺设备(最新整理)
寸分辩力的聚合物抗蚀剂图形转印的一种灵活的曝光设备，远远地超过了目前 光学系统的分辨力范围。最先进的系统如Ｌｅｉｃａ光刻公司的１００ ｋｅＶ ＶＢ６ＨＲ矢量扫描电子束曝光机，提供了小至几纳米的高斯束探针。激光控 制的工作台允许基本图形拼接形成整体图形。这些系统提供了独特的灵活手段， 适用于没有最终分辩损失的纳米技术要求的ＭＥＭＳ器件加工。
域应用较成功的光学光刻设备有奥地利的ＥＶＧ公司的ＥＶ６００系列双面对
准键合机，德国Ｋａｒｌ
Ｓｕｓｓ公司的ＭＡ－６双面光刻机以及荷兰
ＡＳＭＬ公司的Ｍｉｃｒａｌｉｇｎ ７００系列和ＳＡ５２００系列扫描投影
4
和分步投影光刻机。 ２ 三维表面光刻的抗蚀剂喷涂技 ＭＥＭＳ器件的加工要求不同于传统涂胶工艺的先进技术，由于ＭＥＭＳ
ＭＥＭＳ加工技术是在硅平面技术的基础上发展起来的，虽然历史不长， 但发展很快，已成为当今最重要的新技术之一。从目前应用来看，其加工技术 主要可分为硅基微机械加工技术和非硅基微机械加工技术。
１．１ 硅基微机械加工技术 目前正在使用的硅基微机械加工技术有三种：体硅体微机械加工、表面微 机械加பைடு நூலகம் 、复合微机械加工。 １．１．１体硅微机械加工 这种加工是将整块材料，如单晶硅基片加工成微机械结构的工艺，与微电 子生产中的亚微米光刻工艺比较，其工艺尺度相对较大而粗糙，线宽一般在几 微米到几百微米之间。根据蚀刻方法的途径的差异，体硅微机械加工又分为 ａ．硅各向异性化学湿法腐蚀技术，ｂ．熔解硅片技术， ｃ．反应离子深刻蚀 技术。 １．１．２表面微机械加工技术 这种技术是利用集成电路的平面加工技术加工微机械装置，被加工的微机 械装置一般包括一层用作电连接的多晶硅层和一层或多层的机械加工多晶层， 由它们形成各种机械部件，如悬臂梁、弹簧、联动杆等。由于整个工艺都基于 集成电路制造技术，因此可以在单个直径为几十毫米的单晶硅基片上批量生成 数百个微机械装置。 这种技术的最大优点是在与ＩＣ工艺完全兼容，但是，它制造的机械结构 基本上都是二维的，若利用多层加工，也可制造结构复杂，功能强大的 ＭＥＭＳ系统，但是微型元件的布局平面化和残余应力等问题必须在设计中予 以考虑。 （１）电子束光刻 在扫描电子显微镜基础上发展而来的电子束光刻系统，提供了小至纳米尺
机械加工中的微细加工技术研究
机械加工中的微细加工技术研究在当今科技不断发展的时代，微细加工技术的研究和应用成为了机械加工领域中的关键问题之一。
随着产品精度要求的不断提高和微型化产品的不断涌现，传统的加工工艺已经无法满足需求。
因此，探索和研究微细加工技术成为了机械工程师和科学家们的重要任务。
一、微细加工技术的意义微细加工技术的出现和发展，将传统机械加工领域中的限制因素极大地推向了前沿。
微细加工技术能够达到更高的精度要求，使得产品在外形、尺寸、表面质量等方面都能够达到更高的水平。
同时，微细加工技术还能够制备出更加精细的微型产品，可用于制作微电子器件、生物医学器械等领域。
因此，研究和应用微细加工技术对于提升产品品质、拓展应用领域具有重要意义。
二、微细加工技术的现状微细加工技术的研究和应用已经取得了一系列重要的突破。
首先，随着纳米技术的快速发展，纳米加工技术成为了微细加工技术的重要方向之一。
纳米加工技术通过利用纳米尺度的工具和设备，使得微细加工过程更加精准和高效。
其次，在加工材料方面，微细加工技术不再局限于传统的金属材料，还涉及到了其他的材料，如纳米纤维材料、生物材料等。
这使得微细加工技术能够应用于更加广泛的领域。
三、微细加工技术的研究方向1. 精细加工工艺的研究精细加工工艺是微细加工技术的核心内容之一。
通过改进加工工艺和加工设备，减小加工误差和提高加工精度是精细加工工艺研究的主要目标。
例如，采用超声波、激光等辅助加工手段，通过调整加工参数来实现对微细结构的精细加工。
2. 表面工程技术的研究微细加工技术中，表面工程技术是一个重要的研究方向。
通过对加工表面进行处理，改善表面质量和性能，提高其耐磨、耐腐蚀等特性。
例如，通过纳米材料涂层、等离子体注入等方法来实现对加工表面的改良。
3. 仿生加工技术的研究仿生加工技术是近年来兴起的一个新兴研究领域。
通过借鉴生物界中的微细加工原理，如植物细胞分裂、生物矿化等，来实现对微细结构的加工。
这种仿生加工技术具有极大的潜力和应用前景。
微细与超微细加工技术
溅射材料
溅射粒子
离子束溅射镀膜加工
◎离子镀氮化钛,即美观,又耐磨.应用在刀具上可提高寿命1-2 倍.
➢ 离子束溅射注入加工 ◎用高能离子〔数十万KeV〕轰击工件表面,离子打入工件 表层,其电荷被中和,并留在工件中〔置换原子或填隙原 子〕,从而改变工件材料和性质.
变形加 热表面流动 工(流动 粘滞性流动 加工) 摩擦流动
热流动加工（火焰，高频，热射线，激光） 压铸，挤压，喷射，浇注 微离子流动加工
二、微细机械加工
◆主要采用铣、钻和车 三种形式,可加工平面、 内腔、孔和外圆表面. ◆刀具：多用单晶金刚 石车刀、铣刀.铣刀的回 转 半 径 〔 可 小 到 5μm〕 靠刀尖相对于回转轴线 的偏移来得到.当刀具回 转时,刀具的切削刃形成 一个圆锥形的切削面.
单晶金刚石铣刀刀头形状
◆ 微细机械加工设备 ➢微小位移机构 ,微量移动应可小至几十个纳米 . ➢高灵敏的伺服进给系统.要求低摩擦的传动系统和导轨 支承系统,以及高跟踪精度的伺服系统. ➢高的定位精度和重复定位精度,高平稳性的进给运动. ➢低热变形结构设计. ➢刀具的稳固夹持和高的安装精度. ➢高的主轴转速及动平衡. ➢稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰. ➢具有刀具破损检测的监控系统.
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
电磁铁加励磁，夹紧
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
Δ
电磁铁2去掉励磁，松开
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
Δ
电磁铁 1
逆压电元件
电磁铁 2
微细加工技术
微型机床
放在手提箱 里的机械厂
二、微细加工的特点
微细加工技术是指加工微小尺寸零件的生产加工技 术。从广义的角度来讲，微细加工包括各种传统精 从广义的角度来讲， 密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的方法， 密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的方法， 切削技术 磨料加工技术，电火花加工， 技术， 如切削技术，磨料加工技术，电火花加工，电解加 化学加工，超声波加工，微波加工，等离子体 工，化学加工，超声波加工，微波加工，等离子体 加工，外延生产，激光加工，电子束加工， 加工，外延生产，激光加工，电子束加工，粒子束 加工，光刻加工，电铸加工等。从狭义的角度来讲， 加工，光刻加工，电铸加工等。从狭义的角度来讲， 微细加工主要是指半导体集成电路制造技术， 微细加工主要是指半导体集成电路制造技术，因为 微细加工和超微细加工是在半导体集成电路制造技 术的基础上发展的， 术的基础上发展的，特别是大规模集成电路和计算 机技术的技术基础，是信息时代微电子时代， 机技术的技术基础，是信息时代微电子时代，光电 子时代的关键技术之一适当的溶剂里，将应去
除的光刻胶膜溶除干净，以获得刻蚀时所需要的光 刻胶膜的保护图形。显影液的选择原则是： 对需要去除的那部分胶膜溶解得快，溶解度大 对需要保留的那部分胶膜溶解度极小 同时，要求显影液内所含有害的杂质少，毒性小。 显影时间随胶膜的种类、膜厚、显影液种类、显影 温度和操作方法不同而异，一般由实验确定。
7、去胶
去胶就是在SiO2或其他薄膜上的图形刻蚀出 来后，把覆盖在基片上的胶膜去除干净。
四、微细加工技术的发展与趋势
加工方法的多样化 加工材料单纯的硅向各种类型的材料发展 提高微细加工的经济性 加快微细加工的机理研究
微型弹簧
扑翼式微飞行器
微细加工技术
LIGA 技术首先由德国卡尔斯鲁厄核物理研究所提出来,LIGA 是lithographie(制版术)、 galvanoformung(电铸成形)、abformung(微注塑)这3个德文单词的缩写,被公认为是一种全新 的三维立体微细加工技术。
1. 技术原理与工艺过程 图所示为典型的LIGA 工艺过程,主要包括以下内容。 (1)深层同步辐射X光曝光 (2)显影 (3)电铸 (4)塑铸(铸模)
先进制造技术
微细加工与纳米制造技术
1.1 硅基微细加工技术
单晶硅是微机械采用最广泛的材料,硅基微细加工技术是微结构制造中的一种常用技术。 硅基微细加工技术主要指以硅材料为基础制作各种微机械零部件的加工技术,总体上可 分为体加工与面加工两大类。体加工主要指各种硅刻蚀(腐蚀)技术,而面加工则指各种薄膜制 备技术。这些技术在实际应用过程中还要借助于集成电路加工工艺,如光刻、扩散、离子注入、 外延和淀积等技术。
离子束加工出的2刃、4刃和6刃微细端铣刀
微细加工与纳米制造技术
日本FANUC公司和有关大学合作研 制的车床型超精密铣床,在世界上首次用 切削方法实现了自由曲面的微细加工。这 种超精密切削加工技术使用切削刀具,可 对包括金属在内的各种可切削材料进行微 细加工,也可利用CAD/CAM 技术实现三 维数控加工,具有生产率高、相对精度高 的优点。
微机械及其微细加工技术31页PPT
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
END
Hale Waihona Puke 16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
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变 形 加 工
加工机理
化学分解（热激活式）（液体、气体、固体） 电子化学分解（电解激活式）（液体、固体） 蒸发（热式）（气体、固体） 扩散分离（热式）（固体、液体、气体） 熔化分离（热式）（固体、液体、气体） 溅射（力学式）（固体） 离子化表面原子的电场发射 化学沉积及结合（固体、液体、气体） 电化学沉积及结合（固体、液体、气体） 热沉积及热结合（固体、液体、气体） 扩散结合（热式） 熔化结合（热式） 物理沉积及结合（力学式） 注入（力学式） 电子场发射
微机械微细加工并不仅限于微电子(Microelectronics)制造技术，更重要 的是指微机械构件的加工(英文多为Micromachining)或微机械与微电 子、微光学等的集成结构的制作技术。目前，微机械微细加工常用的 有光刻制版、高能束刻蚀、LIGA、准LIGA等方法。
微细加工得到的铁塔微模型
硅压力传感器
航空航天，医疗器械 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
▪ 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-fabrication)，亚微米级微细加工(Submicro-fabrication)和纳米级微细加工(Nano-fabrication)等。
▪ 广义上的微细加工技术，几乎涉及了各种现代特种加工、 高能束等加工方式。
第三节 微机械及其微细加工技术
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
螺旋状振动式压力传感器和加 航空航天，
德国慕尼黑夫琅霍费固体工艺研究所等
制版术和
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
航空航天和电子工业， 美国斯坦福大学，
从基本加工类型看，微细加工可大致分四类: ▪ 分离加工——将材料的某一部分分离出去的加工方式； ▪ 接合加工——同种或不同材料的附和加工或相互结合加工； ▪ 变形加工——使材料形状发生改变的加工方式； ▪ 材料处理或改性。
第三节 微机械及其微细加工技术
不同形式的微细加工方法
加工 类型
分 离 加 工
制版术和
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
热表面流动 粘滞性流动（力学式） 摩擦流动（力学式） 塑性变形 分子定位
材料 处理 或 改性
热激活（电子、光子、离子等） 混合沉积（电子、离子、光子束） 化学反应（电子、光子、离子等） 加能化学反应（电子、光子束、离子） 催化反应
加工方法
光刻、化学刻蚀、活性离子刻蚀、化学抛光 电解抛光、电解加工（刻蚀） 电子束加工、激光加工、热射线加工 扩散去除加工（融化） 熔化去除加工 离子溅射加工、光子直接去除加工（X射线） 用电场分离（STM加工、AFM加工） 化学镀、气相镀、氧化及氮化激活反应镀ARP 电镀、阳极氧化、电铸（电成型）、电泳成型 蒸发沉积、外延生长、分子束外延 烧结、发泡、离子渗氮 熔化镀、浸镀 溅射沉积、离子镀膜、离子束外延、离子束沉积 离子注入加工 STM加工
微机械及其微细加工技术
第七章 先进制造技术
第一节 快速成形制造技术 第二节 精密超精密加工技术 第三节 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
一、 简介
微机械在美国常被称作微型机电系统（Microelectromechanical System, MEMS）；在日本称作微机器（Micromachine）；而在欧洲 则称作微系统（Microsystem）。按外形尺寸，微机械可划分为 110mm的微小型机械,1m1mm的微机械，以及1nm1m的纳米机 械。
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
产品
主要应用领域
研制国家及单位
主要工艺方法
热流动表面加工（气体高温、高频电流、热射线、 电子束、激光） 液流（水）抛光、气体流动加工 微细粒子流抛光（研磨、压光、精研） 电磁成形、放电、悬臂弯曲、拉伸等 STM装置
淬硬、退火（金属、半导体）、上光、硬化 扩散、混合（离子） 聚合、解聚合 表面活性抛光 反应激励
第三节 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
▪ 微机械的 微细加工技术（Micromachining technology ） 有以下特点：
▪ 从加工对象上看，微细加工不但加工尺度极小，而且被 加工对象的整体尺寸也很微小；
▪ 由于微机械对象的微小性和脆弱性，仅仅依靠控制和重 复宏观的加工相对运动轨迹达到加工目的，已经很不现 实。必须针对不同对象和加工要求，具体考虑不同的加 工方法和手段；
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
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，
分离层技术，
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
计算机和通讯系统的控 美国加利福尼亚大学伯克利分校，
分离层技术
制
麻省理工学院
第三节 微机械及其微细加工技术
二、微细加工技术
▪ 微细加工（Microfabrication）起源于半导体制造工艺， 原来指加工尺度约在微米级范围的加工方式。在微机械研 究领域中，它是微米级，亚微米级乃至毫微米级微细加工 的通称。