微机械及其微细加工技术
微细加工技术概述
1、电子束微细加工技术
电子束加工的原理
电子束加工是在真空条件下， 利用聚焦后能量密度极高(106～ 109W/cm2)的电子束，以极高的 速度冲击到工件表面极小的面 积上，在很短的时间(几分之一 微秒)内，其能量的大部分转变 为热能，使被冲击部分的工件 材料达到几千摄氏度以上的高 温，从而引起材料的局部熔化 和气化，被真空系统抽走。
微细加工的特点
微细加工作为精密加工领域中的一个极重要的关键技术， 目前有如下的几个特点： 1. 微细加工和超微细加工是多学科的制造系统工程； 2. 微细加工和超微细加工是多学科的综合高新技术； 3. 平面工艺是微细加工的工艺基础； 4. 微细加工技术和精密加工技术互补； 5. 微细加工和超微细加工与自动化技术联系紧密； 6.微细加工检测一体化。
所谓微细加工技术就是指能够制造微小尺寸零件 的加工技术的总称。 • 广义地讲，微细加工技术包含了各种传统精密加 工方法和与其原理截然不同的新方法，如微细切削 磨料加工、微细特种加工、半导体工艺等； • 狭义地讲，微细加工技术是在半导体集成电路制 造技术的基础上发展起来的，微细加工技术主要是 指半导体集成电路的微细制造技术，如气相沉积、 热氧化、光刻、离子束溅射、真空蒸镀等。
电子束切割
利用电子束在磁场中偏转的原理，使电子束在工 件内部偏转，还可以利用电子束加工弯孔和曲面。
电子束微细焊接
电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺，在 焊接不同的金属和高熔点金属方面显示了很大的优越性， 已成为工业生产中的重要特种工艺之一。 电子束焊接具有以下的工艺特点： (1)焊接深宽比高。 (2)焊接速度高，易于实现高速自动化。 (3)热变形小。 (4)焊缝物理性能好。 (5)工艺适应性强。 (6)焊接材料范围广。
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。
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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微型结构零件的精细加工技术
微型结构零件的精细加工技术现代科技的急速发展推动着各种工业系统的进步与创新。
其中微型结构零件的加工技术则是一个成熟而重要的技术分支。
微型结构零件的加工是一门精细化的技术，需要高度的技术水平和创新能力。
今天我们将就微型结构零件的精细加工技术进行一番探讨。
一、微型结构零件的定义及应用领域微型结构零件是指尺寸在数微米至数十毫米之间、复杂程度高、几何形状丰富的零部件，其一般集成于微机电系统(MEMS)、微流体、微电子机械系统(NEMS)、集成光学系统、集成显微镜以及太赫兹系统等多个领域。
如MEMS是将微电子技术、机械工程技术、工艺技术、半导体技术和材料科学等多学科交叉的新兴技术领域，其在生命科学、医疗器械、工业机械、机器人、汽车、航空等领域中具有广泛应用前景。
相应的，微型组件在MEMS领域中迅速发展，其制造工艺也在不断改进。
二、微型结构零件加工的困难目前，微型结构零件的科学技术水平和制造工艺还处于探索和发展阶段，面临诸多挑战。
一方面，本身加工材料和结构参数的复杂度，一方面则是微型结构零件加工项目日益繁杂，多种重要的技术手段较为复杂，操作难度大，周期长，效果不尽人意。
整个过程中普遍存在的零件加工难度主要有以下几个方面：1.微型尺寸的制造精度要求很高由于零部件形状、大小、精度和表面结构等制造要求和实际应用的限制，微型结构零部件的制造难度较高。
2.缺乏优质辅助材料微型结构零件加工过程中不仅需要使用到稳定性高的机床和辅助设备，同时还需要使用到耐磨、耐高温、高强度等优质辅助材料，这样才能够在零件加工过程中保证零整件不出现误差和失真现象。
3.精细加工工程的全面规划微型结构零件加工流程的规划需要精心设计，严格实施，必须考虑到加工以及后续的一系列工序，包括缺陷检测、界面化处理、表面修整等。
三、微型结构零件加工的技术针对微型结构零件加工难题，近年来采用的微型加工技术不断发展进步。
常见的微小切削加工工艺技术有以下几种：1.喷射加工技术喷射加工技术是以高速流体为研磨剂进行微细加工，通常是将悬浮在液体介质中的磨料、气泡、固体颗粒等喷入加工区，对微型结构零件进行精细加工。
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。
微细加工技术的发展与应用
微细加工技术的发展与应用随着科技的不断发展，微细加工技术成为现代工业中不可或缺的一部分。
微细加工技术是指对微小物体进行加工的技术，通常用于制造那些需要高精度或者微小尺寸的零件、设备和器件。
微细加工技术的应用范围非常广泛，包括微型机器人、光学器件、医疗器械、生物传感器等领域。
本文将探讨微细加工技术的发展历程、应用和未来发展趋势。
一、微细加工技术的发展历程微细加工技术源远流长。
在过去的几百年间，人们使用了各种手工工具和机械设备进行微细加工。
例如，19世纪英国人约瑟夫·温斯洛在1822年发明了摆线拖动齿轮切削机，实现了金属齿轮的精细加工。
这一技术被广泛应用于英国的纺织工业，并为工业革命的发展做出了贡献。
20世纪初，随着电气工程和电子学的发展，半导体器件的出现推动了微细加工技术的发展。
1947年，贝尔实验室的威廉·肖克利发明了第一个晶体管，奠定了现代电子工业的基础。
从此以后，微细加工技术得到了巨大的发展，出现了各种各样的微细加工工具和设备。
例如，扫描电子显微镜可以对微小物体进行高分辨率成像和表征，电子束光刻机可以用来制造半导体芯片、具有纳米尺度精度的纳米定位台可以用来进行精细的纳米加工等等。
二、微细加工技术的应用微细加工技术已经广泛应用于多个领域。
以下是一些例子：1. 光学器件光学器件包括激光器、光开关、波导器、光电探测器等。
微细加工技术可以提供高精度和可重复加工，适用于制造这些器件的需求。
例如，电子束光刻机已经被广泛应用于制造半导体激光器和光子晶体器件。
2. 医学器械微细加工技术可以用于制造医学器械，例如微型手术器械和医用传感器。
这些器械需要高精度和微小尺寸，以减少对患者的创伤和疼痛。
微细加工技术可以提供这些要求。
3. 生物传感器生物传感器利用生物体内的化学反应或者生物特性来检测生物分子和细胞。
微细加工技术可以用于制造这些传感器。
例如，电子束光刻机可以用来制造生物芯片，这些芯片可以用于生命科学研究和医学诊断。
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
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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
综述微细加工的主要技术和特点
综述微细加工的主要技术和特点一、微细加工近几年展望21世纪，人类进入微观世界。
在原子分子尺度上，对物质进行操作和加工，无疑会展现出一种相当美好的前景，并引起各方面的广泛重视。
微细加工技术的产生和发展一方面是加工技术自身发展的必然，同时也是新兴的微型机械技术发展对加工技术需求的促进。
超精加工在20世纪的科技发展中做出了巨大的贡献。
东京工业大学的谷口纪男教授首先提出了纳米技术术语，明确提出以纳米精度为超精密加工的奋斗目标。
在超精密加工技术领域起步最早和技术领先的国家是美国，其次是日本和欧洲的一些国家。
美国超精密加工技术的发展得到了政府和军方的财政支持，近年，美国执行了"微米和纳米级技术"国家关键技术计划，国防部陆、海、空三军组成了特别委员会，统一协调研究工作。
美国至少有30多个厂家和研究单位研制和生产各种超精密加工机床，国家劳伦斯.利佛摩尔实验室、联合碳化物公司、摩尔公司、杜邦公司等在国际上均久负盛名。
美国最早研制了能加工硬脆材料的6轴数控超精密研磨抛光机；联合碳化物公司开发了直径为800mm的非球面光学零件的超精密加工机床；劳伦斯.利佛摩尔实验室还开发了能加工陶瓷、硬质合金、玻璃和塑料等难加工材料的超精密切削机床，在半导体工业、航空工业和医疗器械工业中投入使用；珀金-埃尔默等公司用超精密加工技术加工各种军用红外零部件。
日本对超精密技术的发展也十分重视，70年代初，日本成立了超精密加工技术委员会，制定了技术发展规划，成为此项技术发展速度最快的国家。
日本现有20多家超精密加工机床研制公司，重点开发民用产品所需的加工设备并力图使设备系列化，成批生产了多品种商品化的超精密加工机床。
在超精密切削技术发展比较成熟后，日本已将黑色金属、陶瓷和半导体功能材料的超精密加工技术作为重要的研究开发项目。
日本的研究创新意识强，不是单纯地模仿国外的做法，而是积极地利用外国技术并结合本国特点和生存环境，走出了一条自己的发展道路。
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
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。
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3・6嶽机織及*抵佃彌工牧*一、引言随着微/纳米科学与技术(Micro/Nano Science and Technology)的发展，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。
80年代末出现的一门崭新的学21世纪最具代表性的技术之O微机电系统与微电子学、信息学、材料科学和纳米技术的发展等密切相关。
被公认为21世纪的重点发展学科，是国家重点发展的高技术产业。
微机电系统是微电子技术的延伸和拓宽，通过传感器、致动器、信号处理、控制等多项功能，与外部世界有机联系起来O微机电系统的概念始于20世纪80年代，一般泛指尺度在亚微米至亚毫米范围内的装置。
在不同国家和地区有不同的术语和解释：•美国称作Micro Electro-Mechanical System - MEMS （微型电-机系统）微型电-机系统是由电子和机械组成的集成化器件或系统，釆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。
3・6截机鐵及裏紙佃勉工藝*•在欧洲则称作Micro System （微系统）是指具有微米级结构，可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通信电路和电源等于一体的微型慕件或系统。
•在日本称作Micro Machine （微机器）微机器由只有几毫米大小的功能元件组成，它能够执行复杂、细微的任务。
•微机电系统是指特征尺寸在微米至毫米范围内，由电子和机械组成的集成化器件或系统。
按外形尺寸，微机械可划分为l-10mm的微小型机械,lgm-lmm的微机械，以及lnm~l(im的纳来机械。
搔口I 艇信他霜机电I图1微型机电系统微机电系统器件不能用总尺寸来定义，而用特征尺寸来表征。
特征尺寸：决定器件性质和加工工艺的关键尺寸。
如扩散硅压力传感器的膜厚。
由于微机电系统的基于微电的背景（从微机械的加工方法来看，它主要起源于硅集成制造技术），使其具有集成电子器件所具有的微小、可靠、灵敏、低耗、高效、成本低、适于大批量生产等系列优点。
微机械具有以下几个基本特点:1-体积小（特征尺寸范围为lnm 〜10mm ）,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。
3.6楣L 机被及*嶽佃加工技*1=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。
4.多功能和智能化。
集约高技术成果，附加价值高。
5•适于大批量生产，制造成本低廉。
具有以下一般机械所不能及的优势:1 •表现在活动空间、操作对象和工作环境±o微机械能够进入极狭小空间进行作业，且不易对环境造成不必要的影响与破坏。
微机械还可以面对很脆弱、易损伤的工作对象。
微机械还可出现于人类所不能及或不适宜的工作环境O2•与_般机械相比，微机械所表现出的智能化程度更高、实现的功能更趋于多样化。
国外一些有实力的半导体公司和研究机构对微机械的研究非常重视，已研制开发出许多有特色的产品。
目前，微机械的研究正在从基础研究逐步迈向研制开发与实用阶段O许多微传感器、微执行器以及微光学部件已经在某些行业得到应用O目前微机械研究分为理论研究、技术基础研究及应用研究三部分。
1当尺寸缩小到一定范围时，许多物理现象与宏观世界有很大差别。
在微观尺寸领域,与尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力(L9等的作用相对减小，而与尺寸的低次芳成比祈南黏性力、弹性力(L2)、褰谕永另 (口)、静电力(L。
)等的表面积(L2)与体积(L3)之比增大，热传导、化学反应等加速和表面间的摩擦力显著增矢。
因此，许多宏观物理量进入微观尺度后甚至需要重新定义。
相关学科，如微电子学、微机械学、微光学、微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微结构学和微生物学等共同构成了微机械研究的理论基础。
2、技术基础计，微装配和封控制等。
微机械设计技术包括：微结构设计、弹塑性有限元分析、CAD/CAM技术、数据库技术、微系统建模与仿真等。
微细加工技术：微机械的技术关键，目前常用的方法包括起源于半导体IC加工工艺的硅微细加工、微细电火花加工等特种精密加工、LIGA 技术、微组装技术等。
微系统测量技术：设计材料的机械性能、微构件或微系统参数与性能测试等，微型薄膜构件的弹性模量、泊松比、拉伸强度、残余应力、韧性等。
在测量基础上建立相关的数据库和数学、力学模型，从而进一步服务于以后的设计、制造、改进以及测量过程。
3・6抵机械及箕戳徊畑工就木微系统的集成与控制：涉及系统设计、微传感器或微执行器与控制处理电路的集成、能源供给、接口通讯等。
空航 是的力 ，度应 学高的医能大 物功巨 、高有 器度， 仪精域 密作领精机狭航 微间空二微型机械发展现状及展望1・微型仪器微型仪器实际上就是具有仪器功能的MEMS产品，是MEMS技术与微电子技术综合集成的产物。
它具有一般仪器具有的监测、测量、分析、诊断、控制和执行功能，是一种新型的智能结构。
其基本结构模式为：微传感器+信号和数据处理电路（含控制软件）+外显示器或微执行器3・6緻机織及其緻佃彌工強*J(1)微光谱仪(2)MEMS显示器美国Texas Instruments研究用于投影显示装置的数字驱动微镜阵列芯片(DigitalMicromirror device-DMD)。
已成功利用768 X 576像素的DMD芯片制出彩色电视投影仪o DMD 芯片利用硅表面微加工工艺制作，一个微镜的尺寸仅16umX 16um o(3)微型化学传感器及微型粘度仪利用微机械薄膜(厚度仅3um)对化学分子的吸收，改变薄膜的体积，导致性能发生改变。
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o另外，临床分析化验和基因分析遗传泵、微阀、微银子、微沟槽、微器皿和微流量计等。
•增高体温法治疗癌症：利用超声波或无线电波的能量把身体某一部位加热到430C以杀死癌细胞。
在治疗时温度不够效果就不好，温度过高又III III会伤害周围的组织，医生很难判断肿瘤部位是否达到这个温度。
美国斯坦福大学研究所研制的微型温度传感器可注射到肿瘤中去。
•血管成形手术：在动脉中推动一个小气球来清除动脉壁上的硬化瘢块。
通过注射或吞服法将微机械加工法制成的微型压力传感器放到气球里面，医生通过它可以知道瘢块清除工作进行得怎样。
•通过微机械加工技术已经能够制造出可以夹起一个红细胞的微型银子。
3. MEMS在汽车工业的应用汽车内安装的微型传感器已达几十个，用来传感气囊、压力、湿度等的情况，以及进行智能控制。
器及微型惯性测量组合在汽车中可用于自动驾驶、防撞气囊、防报死系统（ABS）等。
微型压力传感器：检测发动机进气管压力，微机据此控制发动机的工作状态，如最省油或排污最少的状态。
微加速度计：用于汽车安全气袋系统中，检测和监微型继电器等。
4・MEMS军事应用展望军事领域是微机电系统技术的最早应用领域。
*汽车工业A 安全气囊加速计、发动机压力计、自动驾驶陀螺厲武器装备 ■＞制导、战场侦察（化学.震动）、武器智能化A 疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器A 光开关.波分复用器.集成化RF 组件.打印喷头寺娱乐消费类&A游戏棒■虚拟现时眼镜.智能玩具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、国防部等投资1・4亿美元进行微机电系统技术的研究。
•欧共体为了加强各国之间的组织和合作 ,成立了NEXUS （多功能微系统研究合作机构）组织。
德国20世纪80年代中期发展的LIGA工艺，研究人员在实验室里制造出了微传感器、微电机、微执行器、微型流量计以及直径为数百微米的金属双联齿轮等微机械零件。
•日本制定了纳米制造计划、埃技术计划、微型机器人计划。
目前日本共有以企业为中心的60多个微机电系统研究组。
成立了微机械中心和微机械学会。
•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了一些所。
已积累了一些基础技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二、微机电系统材料•硅材料微机械加工源自于微电子集成制造，所以在微机电系统材料中，硅是最常用的材料。
硅具有良好的机电合一特性。
3・6紋机鐵及克嶽佃鼓*加工压阻效应：电阻阻值变化与应变成正比霍尔敢应：霍尔效应是磁电效应的一种，将幷块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场,沿X方向通以工作电流I,贝！| 在Y方向产生出电动势V ,如图所示，这现象称为霍八产 ' …为霍尔电压。
•压电材料一些离子型晶体的电介质存在压电效应（如石英、酒石酸钾钠、钛酸顿等）。
可利用压电效应实现驱动或开发微型传感器正压电效应：在压电材料的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷的迁移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的电荷，且其电荷密度与外应力成正比。
逆压电效应（或称电致伸缩）：若对压电材料施加电场作用时，会引起材料内部正负电荷中心的相对位移，导致赫料变形，应变与外电场强度成正比，应变的方向与电场方向有关。
除石英晶体外，还有压电陶瓷、压电高分子材料和压电半导体等。
由于压电陶瓷具有微小位移且精度高的突出优势，适应微机械、微机器人微小位移控制的要求・利用形状记忆合金的记忆特性可以制成对环境温度敏感的热响应执行器，也可利用形状记忆合金的导电特性进行电加热，构成电驱动执行器。
・超磁致伸缩材料材料在磁场作用下，其长度或形状发生伸长或缩短的现象，具有较大磁致伸缩应变的材料称为超磁致伸缩材料。
超磁致伸缩材料可承受比压电陶瓷高一个数量级的应变，制成的超高精密致动器具有高的精度和大的输岀力。
三、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。
可以进一步分为微米级微细加工(Mi cro-fabri cat ion),亚微米级微细加工(Sub-mi cr o-f abr i cat i on)和纳米级微细加工(Nano- fabrica tion)等。