微机电系统中的塑性微成形技术

微机电系统中的塑性微成形技术
——零件微型化技术的探究
摘要：微机电系统（MEMS）是指可批量制作的，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、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。

在今天这个信息微型化的时代，微机电系统具有节省空间、节约能源、易于重组、便携轻巧等优点在民用和军用等诸多领域备受青睐，尤其是在医疗卫生、电信电子、工业、基因工程和国防等应用范畴的逐步扩大。

但是正是由于这些技术的兴起和广泛应用，增大了对微型零件的需求量，对微型零件的制造成本和效率提出了更高要求。

传统的微型零件制造工艺，如IC工艺和LIGA技术等，无法满足实际生产中对加工材料的种类和生产效率的需要，从而促进了微型零件制造新工艺的发展，微塑性成形技术就是其中最重要的加工工艺之一。

MEMS发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。

而塑性微成形技术为其技术发展、产品加工提供了最重要的技术保障，在实际生产中还能提高生产效率、降低生产成本。

关键词:MEMS 微成形微型零件
MEMS中塑性微成形技术发展现状
微机电系统是一种体积非常小、质量非常轻的机电一体化产品，其量度以微米为单位。

主要包含微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分。

它源于硅微细加工技术，是微电子、材料、机械、化学、传感器、自动控制等多学科交叉的产物。

它具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功能、高集成度。

它是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件。

微机电系统涉及航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等应用领域。

近年来更是成为炙手可热的学习专业和投资产业。

微机电系统一般是由类似于生产半导体的技术如表面微加工、体型微加工等技术制造的。

但是微机电系统的发展需要微型技术的同步甚至超前发展，所以传统的IC工艺和LIGA技术就已经不再适用。

相比之下，塑性加工非常适合批量生产低成本、高精度的微型零件,因此, 近年来结合塑性加工方法的微成形技术得到了很大发展。

另一方面与传统的塑性成形工艺相比，微塑性成形中微型零件的几何尺寸等可以按比例缩小，而有一些材料参数却保持不变，如材料的微观晶粒度和表面粗糙度等，从而导致材料的塑性变形性能发生改变。

零件微型化
零件微型化并非传统意义下宏观零件的简单几缩小, 其主要特
点是随着尺寸的减小, 表面效应和尺度效应成为影响微成形成功与
否的主要因素之一。

因为, 首先随着零件尺寸的微型化, 其表面积与体积之比迅速增大, 微构件的力学特性和所受表面力的相对关系等
都发生了改变, 工模具之间的表面效应必须予以考虑,而且表面力作用将起主导作用；其次, 构件材料本身的物理性质及其对环境变化的响应将有很大的改变, 不能象传统成形工艺一样视材料为各向同性的均匀连续体, 因为材料外形尺寸与晶粒尺度之比相差不大；再有, 由于尺度效应以及制造工艺造成的工具间的几何误差都对摩擦和润滑剂的分布有一定的影响。

所以零件微型化需要在几何尺寸减小的情况下按照实际要求解决表面效应和尺寸效应显现的一些问题，保证微型零件能在微机电系统中正常的工作。

微塑性成形研究
当被加工对象尺寸微小化并达到微米层次后,实际上已超出了常用于宏观机械和塑性加工传统理论的适用范围。

所有涉及微塑性成形的理论, 也就是工模具、工艺、材料和机床设备4 方面, 已不能简单地利用相似性理论从宏观尺度下进行参数变换得到, 都需要重新考虑：
(1)工模具微塑性成形研究主要集中在工模具设计、材料、制造、表面质量和精度等方面。

目前模具设计基本上依据传统的设计思路, 同时兼顾表面效应和尺度效应, 还必须根据模具材料和微成形方法选用相应的工具。

由于微型化和模具材料的变化, 微模具的加工制造方法也发生了根本性的改变。

(2)工艺和传统塑性成形一样, 微成形工艺方面的研究包括成形工艺、工件精度、摩擦、回弹和模拟等。

研究较多的微塑性成形方法有微挤压、微弯曲、微压印、微钣金、微拉深、微冲压、微锻、微轧制
和微无模成形工艺。

为了提高成形过程中的材料温度, 降低流动应力和提高韧性, 经常将激光应用到微塑性成形工艺中,为了研究微成形
工艺参数, 必须量化尺度效应对工艺参数的影响, 最基本的方法就
是采用相似定理, 前提是保持应力和应变状态( 各自的速率) 的不变。

( 3) 材料方面微塑性加工的材料选择范围比较广, 除了与传统
塑性加工一样的常规金属和合金等材料, 还研究了不少微成形性良
好的合金。

合金超塑性很好。

另外该合金具有良好的微成形性, 尤其适用于具有微筋等突起的零件另外, 由于微成形与微系统和微电子
技术是紧密相连的, 微成形材料可以采用微电子材料。

( 4) 机床设备方面成形机床设备也是微成形研究的一个重要方面, 由于微塑性成形的特殊性,使得所需的机床设备都发生了变化,
与其相关的测试仪器和测试方法也与传统塑性加工的迥然不同。

塑性微成型的研究展望
随着微系统应用范围的扩大, 微成形的发展潜力也会越来越大。

但是在微成形理论方面还需要有所突破, 也就是在微成形的加工模具、工艺、材料和机床设备4 方面以及相关的技术问题进行研究。

首先继续对微成形模具设计制造、材料进行研究, 建立微模具设计理论, 研制经济实用的模具制造方法和适用的微模具材料。

其次, 对微成形工艺的研究不能停止, 针对不同的工艺必须建立不同的摩擦模型,选
择合适的润滑剂, 同时采用合适的实验方法量化尺度效应对工艺参
数的影响;建立适用与微塑性加工的有限元单元和有限元分析模型，
并扩展有限元模拟到三维微成形模拟, 研制微成形过程模拟软件;结合先进成形方法开发新的微成形方法, 例如微无模成形是很有发展前景的工艺方法。

再次, 对材料在微型化以后的各种特性都必须进行深入研究, 如材料模型、晶粒尺度对微成形质量的影响、塑性、韧性和成形极限等建立多尺度耦合的材料本构模型; 研制成形材料的制备和坯料下料方法。

总结
通过对塑性微成形技术的学习，我对微成形技术及其应用有了一些了解，由于我是通信工程专业的学生，微成形技术对电子电信类的微型零件加工有着至关重要的作用，所以本文主要介绍了微成形技术在微机电系统中微型零件的加工方法及研究方向。

参考文献
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