先进制造技术微机械及微细加工技术.docx

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先进制造技术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M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M卫星是一种尺寸减小到最低限度的微卫星，质量为1～10kg。

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M卫星的发展奠定了基础。

纳M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M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。

微小型卫星具有研制周期短、更新换代快、造价低、能快速发射等诸多优点，特别适用于在局部战争中的战区通信和对战区进行短期侦察、监视和跟踪等。

面对未来局部战争时间上的突发性、战争爆发地点的不确定性和战场瞬息万变等情况，这些都需要战场指挥员根据具体要求应急发射小卫星，并在24—72小时内完成部署。

目前的纳M卫星大多还处于演示和实验阶段，一旦真正投入实际应用以后，由于其技术已经成熟，卫星生产成本将降低，并且由于其重量轻、体积小，可一箭多星发射，发射成本也将大大低于一般卫星。

另外，卫星的研制将不再需要大型的实验设施和厂房，可以在大学或研究所的实验室里研制，研制费用也大大降低。

研制、生产和发射成本的降低，将促进其商业化。

1、1微机械的特点

微机械之所以受到人们的关注，是因为它具有诱人的特点：

（1）体积小、重量轻、精度高。

其体积可小至亚微M以下（小于20微M，人眼已不能分辨），重量可轻至纳克，尺寸精度可高达纳M级。

已经制出了直径细如发丝（头发丝的直径约0.07mm）的齿轮、能开动的3mm大小的汽车和花生M大小的飞机。

注：

蚂蚁腿上的齿轮：

蚂蚁身长约3.6毫M，腿的直径约0.16毫M

（2）性能稳定、可靠性高。

由于微机械器件的体积极小，几乎不受热膨胀、噪声及挠曲变形等因素的影响，因此具有较高的抗干扰能力，可在较差的工作环境下稳定地工作。

（3）能耗小、响应快、灵敏度高。

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分之一或几十分之一，而运作速度却可达其10倍以上。

如微型泵的体积可以做到（5mm×5mm×0．7mm），远小于小型泵，但其流速却可达到小型泵的1000倍。

由于机电一体的微机械不存在信号延迟等问题，因此更适合高速工作。

（4）多功能化和智能化，既能感知环境又能控制环境。

许多微机械集传感器、执行器和电子控制电路等为一体，特别是应用智能材料和智能结构后，更利于实现微机械的多功能和智能化。

（5）适于大批量生产，制造成本低廉。

微机械能够采用与半导体制造工艺类似的生产方法，像超大规模集成电路芯片一样，一次制成大量完全相同的零部件，因而可大幅度降低制造成本。

如美国的研究人员正在用该技术制造双向光纤通信所必须的微型光学调制器。

通过巧妙的光刻技术制造芯片，做一块芯片只需几美分，而过去则要花5000美元。

1、2微机械的优势

从功用上看，微机械具有以下一般机械所不能及的优势：

（1）首先表现在活动空间、操作对象和工作环境上。

微机械能够进入极狭小的空间进行作业，且不易对环境造成不必要的影响与破坏。

在医学上，微机械可游弋于人体血管，去清除血栓或其它病理组织；在工程上，可以进入精密机械或仪器内部进行故障检修或其它操作。

微机械还可以面对很脆弱、易损伤的工作对象，例如接通大脑中的细微神经、检修微型或超微型计算机中的通讯光纤等。

此外，微机械还可出现于人类所不能及或不适宜的工作环境，如清洁长期运行于宇宙空间的卫星摄像机镜头、在有核辐射的场所执行任务等。

（2）与一般机械相比，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。

由于微机械的工作环境比较复杂，除了人类必备的控制以外，微机械自身也须具有一定程度上的自主分析、判断和处理特定事件的能力。

在需要多个微机械共同去完成任务时，相互之间的分工和协作也是必需的。

这都要求微机械具有较高的“智能”。

采用新型材料和新方法制作的微机械可以不同于传统机械，它能将驱动与执行等多项功能集中于同一构件，使整体结构简单、尺寸更易微小化。

1、3微机械的研究开发内容

（1）理论基础

当尺寸缩小至一定范围时，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（L3）等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的弹性力（L2）、表面张力（L1）、静电力等的作用相对增大，同时表而积（L2）与体积（L3）之比增大，热传导、化学反应加速和表面间的摩擦力显著增大。

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

基本技术包括：

微机械设计、微机械材料、微细加工、微装配与封装、集成技术、微测量等。

（3）应用研究

美、日、德等国在微机械的研究与应用方面占据领先地位。

美国很早就着手微机械的研究，尤其是斯坦福大学，在20世纪60年代便利用硅片腐蚀方法制造了应用于医学的脑电极阵列的探针，后来又在微型传感器等方面取得成功。

例如：

参考书164

日本在此领域的研究虽然起步晚于美国，但目前注重程度和投资强度均超过美国。

日本通产省1991年开始启动一项为期10年、耗资250亿日元的微型机械大型研究计划，研制两台样机，一台用于医疗，进入人体进行诊断和微型手术；另一台用于工业，对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修。

日本政府还投资3千万美元：

至建了一座新的“微型机器人中心”。

日本名古屋大学研制了直径为6mm、具有16个爪的管道流通微机器人。

德国在微细加工方面首创了LIGA（德语制版术、电铸成形、注塑三个词的缩写）工艺，即X光深度光刻、微电铸和微塑铸三种工艺的有机结合，可实现高深宽比的微结构制作。

例如LIGA工艺制作出直径80um、厚度140um的微齿轮，可用于微机械的动力传输。

用LIGA技术制造的微加速器，可用于汽车安全气囊的控制系统。

安全气囊作用原理：

安全气囊只能在乘客和方向盘或仪表板之间的有限空间内发挥作用，并且必须在几分之一秒的时间内完成使命。

气囊自身由纤细的尼龙纤维制成，折叠后装入方向盘或仪表盘。

近来还出现了装入座椅或车门的气囊。

在撞击的瞬间，传感器是通知气囊充气的设备。

传感器从内置于微芯片中的加速计接收信号（即LIGA微加速度传感器）。

只要所测加速度超过了安全值，点火器就被点着，安全气囊充气系统中的叠氮化钠（NaN3）和硝酸钾（KNO3）发（“固体推进剂”）就会发生反应，生成氮气，这个原理与固体火箭助推器的原理相同。

大量的氮气形成的热流会让气囊迅速膨胀。

随后，气囊爆炸般地冲出原始安装位置，时速高达322公里，比眨一下眼睛还要快！

整个过程只经历短短的1/25秒，但多出的这点时间已足以防止人员遭受重创。

1秒之后，气体通过气囊上的小孔迅速消散，气囊收缩，因此乘客又可以自由移动。

2.微细加工技术

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，如微细切削加工、磨料加工、微细电火花加工、电解加工、化学加工、超声波加工、微波加工、等离子体加工、外延生长、激光加工、电子束加工、离子束加工、光刻加工、电铸加工等；狭义地讲，微细加工技术目前一般主要是指半导体集成电路（IC）的微细制造技术，因为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，如化学气相沉积、热氧化、光刻、离子束溅射、真空蒸镀、LIGA等。

1987年，美国利用IC工艺首次制造出直径为100um的硅静电微型电机，转子的直径仅为60um。

2、2微细加工技术特点

微机械的微细加工技术有以下特点：

（1）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；

（2）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；

（3）微细加工在加工目的、加工设备、制造环境、材料选择与处理、测量方法和仪器等方面都有其特殊要求。

（4）加工机理与一般加工相比，存在很大差异。

由于加工单位的急剧减小，，此时必须考虑晶粒在加工中的作用。

假定把软钢材料毛坯切削成一根直径为0.1mm、精度为0.01mm的轴类零件。

实际加工中，对于给定的要求，车刀至多只允许能产生0.01mm切屑的吃刀深度；而且在对上述零件进行最后精车时，吃刀深度要更小。

由于软钢是由很多晶粒组成的，晶粒的大小一般为十几微M，这样，直径为0.1mm就意味着在整个直径上所排列的晶粒只有10个左右。

如果吃刀深度小于晶粒直径时，那么，切削就不得不在晶粒内进行，这时就要把晶粒作为一个个的不连续体来进行切削。

相比之下，如果是加工较大尺度的零件，由于吃刀深度可以大于晶粒线度，切削不必在晶粒中进行，就可以把被加工体看成是连续体。

这就导致了加工尺度在亚毫M、加工单位在数微M的加工方法与常规加工方法的微观机理的不同。

另外，还可以从切削时刀具所受的阻力的大小来分析微细切削加工和常规切削加工的明显差别。

实验表明，当吃刀深度在0.1mm以上进行普通车削时，单位面积上的切削阻力为（196—294）N／mm2；当吃刀深度在0.05mm左右进行微细铣削加工时，单位面积上的切削阻力约为980N／mm2；当吃刀深度在1um以下进行精密磨削时，单位面积上的切削阻力将高达12740N／mm2，接近于软钢的理论剪切强度。

因此，当切削单位从数微M缩小到1微M以下时，刀具的尖端要承受很大的应力作用，使得单位面积上会产生很大的热量，导致刀具的尖端局部区域上升到极高的温度。

这就是越是采用微小的加工单位进行切削，就越要求采用耐热性好、耐磨性强、高温硬度和高温强度都高的刀具的原因。

2、3微细加工设备

制造设备的微小型化将有利于节约空间、节省能源、易于重组。

日本通产工业技术院机械工程实验室（MEL）1996年开发了世界上第一台微型化的机床—微型车床。

其规格为：

长32mm，宽25mm、高30．5mm，重量为100g，主轴电机额定功率1.5W，转速1000r／min。

加工最小工件外圆为60um。

说明：

以下简介一种1999年由日本金泽大学研制的一套尺寸约200mm的微细车削系统。

它由微细车床、控制单元、光学显微装置和监视器组成。

（1）主体结构部分。

在该系统中，采用了