微型机械制造技术.docx

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微型机械制造技术

1.微型机械系统的概念、尺度和特点？

并列举代表性的应用实例2个以上。

答：

概念：

微型机械系统即微机电系统,指的是用微电子和精细加工手段制造的含有结构和系统尺寸较小的静止或可动构件的机械装置.

尺度：

分为1～10mm的微小型机械；

1um～1mm的微机械；

1nm～1um的纳米机械。

特点：

〔1〕微型化：

体积小，精度高，重量轻。

〔2〕性能稳定，可靠性高。

〔3〕能耗低，灵敏性和工作效率高。

〔4〕集成化：

多功能、智能化。

〔5〕批量生产，制造本钱低廉。

〔6〕多学科交叉。

代表性应用实例：

（1）微型飞行器：

a,由美国研制出的微型飞行器特征是：

最大尺寸为15cm以下，重数百克以下，航程大于10km，最高时速达80km/h，最高飞行高度可达150m。

它还应有导航及通信能力，可用手掷或飞机部署它们，具有侦察成像、电磁干扰等作战效能，一次性使用的微型飞行器的价格方案在1000美元以下；b,机器蝇名叫“黑寡妇〞，重量只有100毫克，身高不到3厘米。

（2）微小型卫星:

美国已发射重量在几百千克以下的多种小卫星和重量缺乏10千克的试验型纳卫星和皮卫星。

〔3〕微小型移动机器人：

微小型移动式机器人主要也是用来从事侦察和探测的。

例如，美国麻省理工学院研制的“阿蒂拉Ⅰ〞型机器人重1.6kg，有32台电机，10个微处理器和150个传感器，并带有一台微型摄象机。

由于它的6条腿都具有关节，它的运动更加自如，还能越过障碍。

〔4〕灵巧微尘

2.微机械制造材料大致分为几类？

而常用的制造微机电产品的材料有哪些？

MEMS装置为何大多项选择用硅材料制造？

答：

微机械制造材料大致分为结构材料、功能材料和智能材料三大类。

常用的制造微机电产品的材料有：

a，结构材料：

硅晶体；b，功能材料：

压电材料、光敏材料等；c，智能材料：

形状记忆合金、磁/电致伸缩材料、导电聚合物、电流变/磁流变材料等。

硅材料的优点：

〔1〕优异的机械特性：

在集成电路和微电子器件生产中，主要利用硅的电学特性；在微机械结构中，那么是利用其机械特性。

或者同时利用其机械特性和电学特性，即具有机电合一的特性，便于实现机电器件的集成化。

〔2〕储量丰富，本钱低。

硅是地壳中含量最多的元素之一，自然界的硅元素通常以氧化物如石英〔sio2〕的形式存在，使用时要提纯处理，通常加工成为单晶形式〔立方晶体，各向异性材料〕

〔3〕便于批量生产微机械结构和微机电元件。

硅材料的制造工艺与基层电路工艺有很好的兼容性，便于微型化、集成化和批量生产。

硅的微细加工技术比拟成熟，且加工精度高，容易生成绝缘薄膜。

〔4〕具有多种传感特性，如压电阻效应、霍尔效应。

〔5〕纯洁的单晶硅呈浅灰色，略具有金属性质。

可以抛光加工，属于硬脆材料，热传导率较大，对温度敏感。

3.什么是膨胀合金？

什么是形状记忆合金，并写出其英文全称和缩写？

什么是压电材料、正压电效应、逆压电效应，常见的压电材料有哪些？

答：

膨胀合金：

指在一定温度范围内具有特殊的线膨胀系数〔极小或为一定〕的合金。

形状记忆合金：

具有形状记忆特性的合金。

英文全称为shapememoryalloy，缩写为SMA。

压电材料：

其弹性效应和电极化效应在机械应力或电场作用下相互耦合。

正压电材料：

在机械应力作用下，将机械能转化为电能；

逆压电材料：

在电压作用下，将电能转化为机械能。

常见的压电材料：

石英晶体、压电陶瓷/电致伸缩材料、聚偏二氟乙烯薄膜、ZnO压电薄膜。

4.什么是刻蚀系数，并采用画图和公式来描述。

答：

刻蚀系数是用来反映刻蚀向纵向深入和向侧向钻蚀的情况。

公式：

Ef=2D/（W2-W1）=D/R。

侧向钻蚀越小，刻蚀系数越大，刻蚀局部的侧面就越陡，刻蚀图形的分辨率也就越高。

5.写出牺牲层法制作金刚石悬臂梁的工艺过程。

答：

1.硅衬底

2在硅衬底上沉积一层介质膜Si3N4；

3在Si3N4膜上再沉积一层厚2um的SiO2膜作为牺牲层；

4有选择地局部腐蚀掉SiO2，用以制出悬臂梁的固定端；

5在SiO2层及露出的Si3N4上沉积一层厚约〔1～2〕um的单/多晶金刚石膜；

6最后腐蚀掉SiO2牺牲层，形成可活动的悬臂梁。

6、什么是电/磁流变液体？

两者的区别.

答：

电流变液体:

电流变液在通常条件下是一种悬浮液，它在电场的作用下可发生液体—固体的转变．当外加电场强度大大低于某个临界值时，电流变液呈液态；当电场强度大大高于这个临界值时，它就变成固态；在电场强度的临界值附近，这种悬浮液的粘滞性随电场强度的增加而变大，这时很难说它是呈液态还是呈固态。

磁流变液体：

它是将微米尺寸的磁极化颗粒分散于非磁性液体〔矿物油、硅油等〕中形成的悬浮液。

在零场情况下，磁流变液表现为流动性能良好的液体,其表观粘度很小；在强磁场作用下可在短时间〔毫秒级〕内表观粘度增加两个数量级以上，并呈现类固体特性；而且这种变化是连续的、可逆的，即去掉磁场后又恢复到原来的状态。

两者的区别：

a）两者塑性相似，但屈服强度磁流变液却明显高于点流变液，高达80KPa，电流变液的屈服强度只有3kPa。

b）磁流变液对环境的适应能力强，不受加工和使用中混入化学杂质的影响。

原材料无毒，对环境无污染。

而电流变液对于生产环境要求苛刻，需要严格的质量控制。

此外，相同的配比，不同批次的电流变液在性能上也有很大的差异。

c）电流变液的最大缺点是使用的电压很高，达几千伏，具有一定的危险性。

7、什么是等离子体？

答：

等离子体是由正离子、负离子、自由电子等带电粒子，以及不带电的中性粒子如激发态分子、自由基等组成的气体。

等离子体正负电荷相等，等离子体导电。

8、请写出薄膜生成工艺方法的种类。

并重点描述出低压化学气相沉积、溅射成膜、真空蒸镀的工艺装置的工艺过程，及技术参数。

画出示意图，标出各局部结构名称以及低压参数和气相反响温度区间。

答：

薄膜生成工艺方法包括物理气相沉积和化学气相沉积，其中物理气相沉积：

真空蒸镀、溅射成膜〔直流溅射、射频溅射、带有附加磁场的射频溅射装置〕。

化学气相沉积包括：

常压化学沉积法、低压化学气相沉积法和等离子强化化学气相沉积法。

低压化学气相沉积：

反响室保持低压强〔约1000Pa~10Pa〕

溅射成膜：

真空度达0.013Pa以上；1000v以上〔直流〕；5-30MHz,1-2Kv（射频）

图低压化学气相沉积法图真空蒸镀

低压化学气相沉积的工艺过程：

反响气体A和B的分子中含有待沉积物质的原子，它们经分子筛过滤后进入混合器中，再进入反响室，反响室用电阻加热。

2种气体进行化学反响后生成单质或化合物，沉积在经过清洁处理的衬底上，形成薄膜。

副产品气体由出口处流出。

9、请用列表的方式写出常用的硅微加工工艺方法。

并就其中的一种工艺过程详细加以论述。

答：

硅微加工工艺方法

体硅微机械加工

湿法腐蚀

各向同性腐蚀

各向异性腐蚀

干式腐蚀

离子刻蚀

外表硅微机械加工

薄膜生成技术

物理气相沉积技术

真空蒸镀

溅射成膜

化学气相沉积技术

常压化学气相沉积技术

低压化学气相沉积技术

等离子强化气相沉积技术

牺牲层技术

其中的一种工艺过程详细论述：

可以写第8题的低压化学气相沉积的工艺过程。

10、什么是高能束加工，并简要说明高能束加工的特点？

离子束加工工艺原理？

与电子束加工工艺的区别是什么？

加工设备组成？

常见的离子束加工工艺至少3种以上。

答：

高能束加工是利用能量密度很高的激光束、电子束或离子束等去除工件材料的特种加工方法的总称〔利用以光量子、电子、等离子体为能量载体的高能量密度束流对材料和构件进行加工〕。

特点：

非接触加工，无加工变形，而且几乎可以加工任何材料；一种典型的多学科交叉技术。

〔加工速度快，热流输入少，对工件热影响极少，工件变形小；束流能够聚焦且有极高的能量密度，激光加工、电子束加工可使任何坚硬、难熔的材料在瞬间熔融汽化，而离子束加工是以极大能量撞击零件外表，使材料变形、别离破坏；工具与工件不接触，无工具变形及损耗问题；束流控制方便，易实现加工过程自动化。

〕

离子束加工工艺原理：

在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之打到工件外表从而对工件进行加工。

〔离子束加工是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之具有高的动能能量，轰击工件外表，利用离子的微观机械撞击实现对材料的加工。

离子束加工的物理根底是离子束射到材料外表时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。

其物理过程可以作如下解释：

当入射离子碰到工件外表时，撞击原子、分子发生能量交换。

离子失去的局部能量传递给工件外表上的原子、分子，当到达足够的能量时，这些原子、离子便从基体材料中别离出来，产生溅射，其余的能量那么转换为材料晶格的振动。

〕

与电子束加工工艺的区别是：

1）离子束加工时，加速的物质是带有正电的离子而不是电子，其质量比电子大数万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍，因此当离子被加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能；

2）电子束加工要靠热效应进行加工，而离子束加工主要通过离子撞击工件材料时引起的破坏、别离或直接将离子注入加工外表等机械作用进行加工。

加工设备组成：

主要包括离子源、真空系统、控制系统和电源等局部，主要不同点表现在离子源系统。

常见的离子束加工工艺:

●离子束加工的物理根底是离子束射到材料外表所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。

●具有一定动能的离子斜射到工件材料外表时，可以将外表的原子撞击出来，这就是离子撞击效应和溅射效应。

●如果将工件直接作为轰击的靶材，工件外表就会受到离子刻蚀，也称为离子铣削；

●如果将工件放置在靶材附近，靶材原子就会溅射到工件外表而被溅射沉积吸附，使工件外表镀上一层靶材原子薄膜；

●如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会钻进工件表面；离子注入。

11、电子束加工原理？

加工设备组成？

为什么要在真空系统内完成？

常见的离子束加工工艺至少3种以上。

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外表极小的面积上，在很短的时间〔几分之一微秒〕内，其大局部能量转变为热能，使被冲击局部的工件材料到达几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部的熔化和气化，被真空系统抽走。

由电子枪、真空系统、控制系统和电源组成

真空系统维持在的真空度，以保证电子高速运动，加工产生气体抽出以保证加工时产生的金属蒸汽不会影响电子发射，造成不稳定现象。

12、微装配系统类型、装配步骤及根本组成局部。

答：

微装配系统类型：

1）基于扫描电子显微镜的微装配系统；2）基于光学显微镜的微装配系统。

装配步骤：

a）待装配微器件的准备

b）微器件的传输

c）微器件定位与固定

d）微器件组装

e）微器件装配性能测试。

f）

根本组成局部：

●显微观测系统：

即视觉系统，一般用立体显微镜、图像采集卡和CCD摄像机以及监视器组成，用于实现微器件图像的采集和操作过程的实时监视；

●精密机械系统：

可实现微器件的承载和动作，包括X-Y精密工作台、微开工作台及其驱动系统。

●微夹持系统：

完成微器件的微夹持和释放操作，实现多自由度的位姿调整及其驱动。

●控制与驱动系统：

是微装配系统的大脑，用于完成系统的动作控制，实现微装配的自动化。

〔显微观测系统、多自由度工作台、微操作及微夹持系统、控制驱动系统〕

13、微型零件精度检测时需要注意哪几个主要问题，一般采用什么检测方法？

答：

微型零件精度检测时需要注意的问题：

⏹接触力会引起较大变形，导致的较大检测误差；

⏹体积小，难以固定，其定位误差往往较大；

⏹异物以及衍射效应对测量结果影响也较大。

一般采用的检测方法：

采用显微视觉测量方法辅助以精密的机械移动的方法；

14、激光加工的原理？

激光加工设备的组成？

激光器的分类，并说明工作物质是什么？

说出至少3种以上激光加工工艺。

答：

激光加工的原理：

当能量密度极高的激光束照射在加工外表上时，一局部从材料外表反射，一局部透入材料内其光能被吸收，并转换为热能，使照射区域的温度迅速升高、熔化、气化和熔融溅出而去除材料，如打孔、切割、电阻微调、动平衡等。

总的来说，激光加工的机理就是热效应蚀除金属，完成加工。

激光加工设备的组成包括激光器、电源、光学系统及机械系统四大局部。

激光器是激光加工的重要设备，它把电能转变成光能，产生激光束；

激光器电源为激光器提供所需要的能量及控制功能；

光学系统包括激光聚焦系统和观察瞄准系统等，后者能观察和调整激光束的焦点位置，并将加工位置显示在投影仪上；

机械系统主要包括床身、工作台及机电控制系统等。

激光器按照激活介质的种类可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、自由电子激光器等。

工作物质：

固体激光器——红宝石、YNG；气体激光器——二氧化碳气体

激光加工工艺：

◆激光焊接时只要求将材料加热到熔化程度而不要求去除

◆激光热处理只要求材料加热到相变温度即可。

一般非金属材料的反射率比金属低得多，故吸收的激光能量也多。

◆激光微细加工：

激光打孔、切割、焊接等。

在半导体领域，利用强聚焦的激光束可以促使外表化学反响，进行淀积、刻蚀、掺杂和掩模修复等激光化学微细加工，以及进行激光快速退火、消除半导体片子的晶格损伤和进行激活。

15、请写出LIGA法加工工艺过程，并说LIGA与准LIGA法的区别？

答：

利用LIGA技术制作微金属图形主要由两步关键工艺组成:

1）首先利用同步辐射X射线光刻技术光刻出所要求的图形;

2）然后利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具;

3）再利用微塑铸制备微结构，具体的工艺步骤如下图。

加工工艺过程：

曝光显影电铸去胶铸塑

LIGA与准LIGA法的区别：

a）使用光源的不同：

LIGA工艺需要昂贵的同步辐射X光源，而准LIGA法用的是常规紫外光，这就导致了LIGA工艺本钱高于准LIGA工艺；

b）掩模不一样：

LIGA工艺需要制作复杂的X线掩模〔Au掩模板〕，而准LIGA使用的是标准的Cr掩模板；

c）光刻胶的选用不同:

LIG工艺常选用PMMA光刻胶〔厚达1000um〕，准LIGA工艺常选用聚酰亚胺等光刻胶〔厚达300um〕;

d）生产周期和生产本钱：

LIGA生产周期较长，生产本钱较高，而准LIGA生产周期较短，本钱较低；

e）加工质量的不同：

LIGA工艺的深宽比可超过100，能加工亚微米精度的微结构，准LIGA工艺的深宽比常为几十，能加工微米精度的微结构。

16、请写出IBM、WEDG、EBM、、LBM、MEMS、MMT的中英文全称？

答：

IBM——IonBeamMachining

WEDG——wireelectricdischarginggrinding、

EBM——ElectronBeamMachining

LBM——LaserBeamMachining

MEMS——MicroElectroMechanicalSystem

MMT——MechanicalManufacturingTechnology

17、请写出湿法加工的分类，以及所采用的腐蚀液。

答;湿法腐蚀可分为两种：

即各向同性腐蚀和各向异性腐蚀

a）：

HNA:

HF〔去除剂〕+HNO3〔氧化剂〕+H2O〔HAC〕〔稀释剂〕

各向同性腐蚀—各方向上有相同的腐蚀速率，取决于腐蚀剂的成份比、掺杂浓度和温度

HNA：

HF+HNO3+H2O

或

+HAC〔CH3COOH〕

b）有机腐蚀剂：

EPW〔乙二胺+邻苯二酚+H2O〕，联胺

无机腐蚀剂：

碱性腐蚀液〔KOH，NaOH，LiOH，CsOH，NH4OH〕重点是KOH和EPW

各向异性腐蚀—腐蚀速率依赖于单晶晶向、掺杂原子浓度和温度

KOH+肼〔联胺〕

乙二胺+邻苯二酚〔EDP〕

沿特定晶向腐蚀

通常腐蚀是在有掩膜条件下进行，或结合自停止腐蚀技术完成，以获得所需图形。

18、硅电容式传感器的加工工艺

工艺过程：

湿法腐蚀加工硅基孔——溅射玻璃膜，有选择地腐蚀出窗口——阳极键合〔真空环境下〕。

硅和硅的互连，也能用阳极键合实现，但在2硅片间须参加中间夹层。

常用的中间夹层材料为硼硅酸玻璃〔7740#〕。

先把要键合的硅片外表抛光，并在其中1个硅片外表上淀积一层厚2～4um的7740#玻璃膜。

阴极就接在覆盖7740#玻璃的硅片上，阳极接在另一硅片上。

硅-玻璃-硅的三层结构如图：

玻璃还起到绝缘作用，使电流不能通过接合面。