微機械制造工藝及其應用
微機械制造工藝及其應用【1】
摘要：在我國制造行業(yè)飛速發(fā)展的過(guò)程中，微機械制造工藝已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域之中得到了廣泛的應用，而這一制造體系本身也是目前人類(lèi)社會(huì )極為尖端的制造技術(shù)，能夠體現出各個(gè)國家目前在高精度生產(chǎn)上的水平。
本篇文章主要針對為機械制造工藝以及實(shí)際應用進(jìn)行了全面詳細的探討，以期為機械制造工藝的發(fā)展最出貢獻。
關(guān)鍵詞：LIGA技術(shù);準LIGA技術(shù)
在當前的機械制造技術(shù)中，微機械制造工藝屬于精度極高的生產(chǎn)體系，其生產(chǎn)精度能夠達到微米級別。
該技術(shù)最早就是從硅基電路生產(chǎn)技術(shù)所中所脫離出來(lái)的，該技術(shù)的應用對于某些行業(yè)的制造發(fā)展來(lái)說(shuō)，起到了至關(guān)重要的作用。
下文主要針對微機械制造工藝以及應用進(jìn)行了全面詳細的探討。
一、微機械制造工藝及應用
1.微機械蝕刻技術(shù)
微機械生產(chǎn)技術(shù)在集成電路生產(chǎn)的使用過(guò)程中，相應的加工工藝實(shí)際上只需要對于深度在10微米左右的硅片表面加以考慮，但是在對于微機械結構元件進(jìn)行加工的過(guò)程中，必須要完全穿越整個(gè)硅片的厚度進(jìn)行三維式的加工。
同時(shí)，依據所使用的蝕刻劑不同，所使用的蝕刻方式也分為濕法蝕刻、干法蝕刻。
在干法蝕刻的過(guò)程中，主要是采取各向同性的蝕刻方式，在有需要的情況下，也可以各向異性蝕刻;而濕法蝕刻，實(shí)際上就是在蝕刻劑為液體的情況下稱(chēng)之為濕法蝕刻。
在執行各向異性蝕刻工作的過(guò)程中，由于單晶硅的原子結構的復雜原因，導致晶面所呈現出的腐蝕速率有著(zhù)較大的差異性，而在對于晶面的硅襯底采取各項異性腐蝕措施時(shí)，會(huì )直接沿著(zhù)晶面停蝕，而面與面之間將會(huì )形成一個(gè)54.75°的夾角。
而在對于這類(lèi)型的蝕刻速度以及結晶面所存在的關(guān)系加以利用之后，能夠促使硅襯底得以加工出多種不同形式的結構。
2.硅表面微機械制造工藝
硅表面微機械制造工藝是微機械器件完全制作在晶片表面而不穿透晶片表面的一種加工技術(shù)。
一般來(lái)講，微機械結構常用薄膜材料層來(lái)制作，常用的薄膜層材料有：多晶硅、氮化硅、氧化硅、磷硅酸鹽玻璃(PSG)、硼硅酸玻璃(BPSG)和金屬。
為了制造復雜的微結構，這種薄膜層采用PVD或CVD方法在硅片上沉積，并利用光刻工藝和化學(xué)或物理腐蝕工藝來(lái)進(jìn)行結構制造。
在這里，犧牲層起了非常重要的作用。
犧牲層的作用就是在連續加工形成結構層的過(guò)程中使結構層與襯底隔開(kāi)。
犧牲層厚度一般為1一2μm，但也可以更厚些。
沉積后，犧牲層被腐蝕成所需形狀。
利用表面微機械制造工藝，可以制造懸式結構，如微型懸臂梁、懸臂、微型橋和微型腔等。
3.LIGA工藝
LIGA工藝本身是屬于一種通過(guò)X光射線(xiàn)進(jìn)行三維微結構加工的微機械技術(shù)，在這一技術(shù)之中，實(shí)際上包含了X光深度同步輻射光蝕刻、電鑄成型、注塑成型這三個(gè)主要的工藝步驟。
而LIGA技術(shù)本身實(shí)際上就是對于平面IC工藝中所涉及到光刻技術(shù)加以借鑒，但是相較而言，LIGA技術(shù)對于材料加工過(guò)程中所呈現出的深寬要遠遠大于標準IC生產(chǎn)技術(shù)中的薄膜亞微米光刻技術(shù)參數。
同時(shí)，所能夠加工的厚度，也要高于平面工藝典型值2μm的標準;此外，LIGA工藝還可以有效的針對非硅材料執行三維微細加工工作，并且其中所能夠使用的材料也更加的廣泛。
LIGA技術(shù)在微機械加工體系中的應用，有效的推動(dòng)了MEMS技術(shù)本身得以在生產(chǎn)行業(yè)中迅速的推廣和發(fā)展。
4.準LIGA技術(shù)
LIGA技術(shù)在實(shí)際使用的過(guò)程中，所呈現出的成本需求較高，并且其中的工藝技術(shù)也極為復雜。
為了能夠最大限度的避免使用同步輻射光所產(chǎn)生的昂貴成本，可以使用近似的紫外線(xiàn)作為代替性的光源。
而這也就是一種類(lèi)似于LIGA技術(shù)的微機械工藝，被稱(chēng)作是LIGA技術(shù)，同樣能夠呈現出深寬比較大大三維微結構加工。
具體加工工藝應用如下：
l)在硅襯底位置上，通過(guò)濺射的方式，使得其表面能夠形成一層厚度大約在230nm的鎢化欽薄膜。
而使用該材料的主要原因是由于，鎢化欽所呈現出的附著(zhù)性極為優(yōu)秀，并且還能夠當做是光刻過(guò)程中起到隔離效果的阻擋層。
而在經(jīng)過(guò)了相應的清洗處理之后，還可以再次鍍上一層厚度大約在200nm左右的金，這一層材料主要作為預鍍層使用。
2)接著(zhù)，多次利用旋涂方法，得到約30μm的正性抗蝕層。
3)掩模與抗蝕層密切接觸曝光，可得到陡峭的輪廓。
4)光源一般用高壓汞燈。
曝光后在堿性顯影液中顯影，水洗并小合烘干，可得到深寬比大于7的微結構。
5)對光刻后的微結構進(jìn)行電鍍，可得到三維金屬微結構，可用濕式蝕刻法或反應性離子蝕刻除去預鍍層的金和鎢化欽。
5.傳統制造工藝
l)超精密機械制造工藝
超精密機械制造是用硬度高于工件的工具，對工件材料進(jìn)行切削加工。
目前所用的工具有車(chē)刀、鉆頭、銑刀等，如采用鉆石刀具微切削技術(shù)可加工直徑Φ25μm的軸，表面粗糙度值很低;采用微鉆頭可以加工直徑為Φ2.5μm的孔;采用微細磨料加工可提高加工精度和工件表面的質(zhì)量，加工單位可達0.01μm，表面粗糙度Rao0.005μm。
采用金屬絲放電磨削加工可加工出外徑Φ0.1mm的注射針頭和口徑Φ0.6mm的微細噴嘴。
2)特種加工工藝
(l)激光束加工。
激光發(fā)生器將高能量密度的激光進(jìn)一步聚焦后照射到工件表面。
光能被吸收瞬時(shí)轉化為熱能。
根據能量密度的高低，可以實(shí)現打小孔、微孔、精密切削、加工精微防偽標記、激光微調、動(dòng)平衡、打字、焊接和表面熱處理。
(2)用隧道顯微鏡進(jìn)行微細加工。
該加工方法是將掃描隧道顯微鏡技術(shù)用于分子級加工，其原理是基于量子力學(xué)中的隧道效應。
采用尖端極細(直徑為納米級)的金屬探針作為電極，在真空中用壓電陶瓷等微位移機構控制針尖和工件表面保持1～10μm的距離，并在探針和工件間加上較低的電壓，則在針尖和工件微觀(guān)表面間，本來(lái)是絕緣的勢壘，由于量子力學(xué)中粒子的波動(dòng)和電場(chǎng)的畸變，就會(huì )產(chǎn)生近場(chǎng)穿透的“隧道”電流，同時(shí)使探針相對于工件樣品表面作微位移掃描，就可以觀(guān)察物質(zhì)表面單個(gè)原子或分子的排列狀態(tài)和電子在表面的行為，獲得單個(gè)原子在表面排列的信息。
(3)微細電火花加工。
微細電火花加工是在絕緣的工作液中通過(guò)工具電極和工件間脈沖火花放電產(chǎn)生的瞬時(shí)、局部高溫來(lái)溶化和汽化蝕除金屬，加工過(guò)程中工具與工件間沒(méi)有宏觀(guān)的切削力，只要控制精微的單個(gè)脈沖放電能量，配合精密微量進(jìn)給就可以實(shí)現極微細的金屬材料的去除加工，可加工微細的軸、孔、窄縫、平面、空間曲面等。
二、結語(yǔ)
綜上所述，在經(jīng)過(guò)了數十年的發(fā)展之后，微機械技術(shù)已經(jīng)從以往單一的三維加工拓展，朝著(zhù)系統集成的方向發(fā)展，從基礎性的探索，開(kāi)始進(jìn)行實(shí)用化的研究。
而在未來(lái)的微機械生產(chǎn)技術(shù)價(jià)值研究上所涉及到的重點(diǎn)環(huán)節，就在于微機構三維立體敬愛(ài)工、微機械集成、微機械封裝技術(shù)等。
總之，微機械技術(shù)的應用，對于我國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來(lái)說(shuō)，起到了至關(guān)重要的推動(dòng)作用。
參考文獻
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[3]張帥，賈育秦.MEMS技術(shù)的研究現狀和新進(jìn)展[J].現代制造工程.2005(09)
機械制造工藝【2】
[摘 要]機械制造工藝是各種機械制造方法和過(guò)程的總稱(chēng)，是一門(mén)集機械、光學(xué)、電子、材料科學(xué)、信息科學(xué)、生物科學(xué)、管理學(xué)、激光學(xué)等最新成就為一體的一個(gè)新興技術(shù)與新興工業(yè)，現代的機械制造已經(jīng)不是傳統意義上的機械制造，現代機械制造工藝是在高科技的推動(dòng)下，以智能化，環(huán)�；�，節能化為導向，以可持續發(fā)展為目標的新型工藝。
[關(guān)鍵詞] 機械制造 制造工藝
眾所周知，制造業(yè)是一個(gè)國家的國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，是一個(gè)國家綜合國力的綜合體現，機械制造工藝的發(fā)展是人民生活水平提高的重要保障，當今世界，正在發(fā)生著(zhù)深刻的變化，對機械制造行業(yè)的影響也比較大，機械制造工藝也被賦予了新的內涵，傳統的機械制造行業(yè)在不斷吸收各方面最新成果之后，將其應用于機械制造工藝的改革與創(chuàng )新，這使得現代機械制造工藝呈現出信息化、高技術(shù)化、極端化、綠色化、服務(wù)增值等特點(diǎn)和趨勢。
對于我國來(lái)說(shuō)，自從改革開(kāi)放以來(lái)，中國機械制造工藝取得了長(cháng)足的發(fā)展，但是，我國的機械制造工藝同國外高技術(shù)水平國家相比差距依然較大，存在著(zhù)資源利用率底，污染處理不力，自主創(chuàng )新能力低下等等問(wèn)題。
這些問(wèn)題需要國家加大對機械制造工藝的重視，加大機械制造工藝的資金和資源投入，使我國從一個(gè)機械制造大國轉型為機械工藝設計大國。
1 機械制造工藝的歷史
現代機械制造工藝的說(shuō)法是上世紀80年代提出的，但是其進(jìn)入實(shí)用范圍已經(jīng)有半個(gè)多世紀了，機械制造技術(shù)由最初的純手工操作，逐步變?yōu)榱藱C械替代，這樣，產(chǎn)品的質(zhì)量和整個(gè)生產(chǎn)效率得到了大大的提高，勞動(dòng)強度也減輕了不少。
機械制造是伴隨著(zhù)人類(lèi)歷史的發(fā)展而發(fā)展的，從原始社會(huì )時(shí)期，人類(lèi)便創(chuàng )造了石器工具來(lái)狩獵，這也是人類(lèi)第一次使用工具，之后，為了滿(mǎn)足日常生活的需要，人類(lèi)陸續發(fā)明了土器，銅器和鐵器工具，但是這些工具的制造工藝非常簡(jiǎn)單，其中的科技含量很低，隨著(zhù)社會(huì )生產(chǎn)力的提升，人類(lèi)的機械制造工藝也在不斷的更新，同時(shí)，機械制造工藝已經(jīng)不僅僅是為了滿(mǎn)足人類(lèi)的基本生活需求，同時(shí)也向文化，藝術(shù)，工業(yè)等方面發(fā)展，從而提高了人類(lèi)的物質(zhì)文明。
到了近代，出現了大工業(yè)生產(chǎn)，蒸汽機的問(wèn)世，帶來(lái)了第一次工業(yè)革命，內燃機技術(shù)的出現，帶來(lái)了汽車(chē)，火車(chē)的發(fā)展，人類(lèi)對于機械制造工藝的研究開(kāi)始向自動(dòng)化，大型化轉變，同時(shí)，對于機械制造的認識上了一個(gè)臺階。
而以電能為基礎的第二次工業(yè)革命，則是機械制造發(fā)展史上的另一座里程碑，電能的運用，使得生產(chǎn)效率呈幾何式地增長(cháng)，從第二次工業(yè)革命開(kāi)始，機械制造工藝真正達成了科學(xué)與技術(shù)的融合，自然科學(xué)的發(fā)展，開(kāi)始同機械制造緊密結合，機械制造開(kāi)始依賴(lài)于科學(xué)的創(chuàng )新與發(fā)展，人類(lèi)對機械制造工藝的認識轉變到智能化，高科技化轉變。
所以說(shuō)，機械制造工藝的發(fā)展是也人類(lèi)歷史的發(fā)展史。
1.1 我國機械制造工藝的現狀
機械制造工藝是機械制造行業(yè)的核心技術(shù)支持，目前我國還處于機械制造的發(fā)展階段，但是，已經(jīng)有一些先進(jìn)的機械制造工藝應用于機械制造當中。
此外，自控技術(shù)已經(jīng)逐步應用于機械制造之中，這也是計算機技術(shù)的發(fā)展的成果，而且，有計算機控制的流水線(xiàn)作業(yè)也逐步進(jìn)入到機械生產(chǎn)過(guò)程中，柔性控制技術(shù)目前在我國還沒(méi)有得到完全普及。
近年來(lái)，我國的機械制造工藝不斷采用先進(jìn)技術(shù)，但是與發(fā)達國家相比，任然存在著(zhù)較大的差距，這主要體現在4個(gè)方面。
(1)發(fā)達國家廣泛采用計算機管理等新的管理思想和技術(shù)，而我國只有少數大型企業(yè)采用計算機管理，在很多小型企業(yè)，計算機管理還處于起步階段。
(2)發(fā)達國家不斷更新設計數據和設計準則，采用新的設計方法，而我國采用的設計方法還處于圖紙設計階段。
(3)發(fā)達國家已經(jīng)廣泛采用高精密加工，微加工，微型機械，納米加工，電磁加工等新型機械制造工藝，而我國尚處于研發(fā)階段。
(4)發(fā)達國家普遍采用數控機床，實(shí)現了機械加工自動(dòng)化，智能化，集成化，我國尚處于單機自動(dòng)化，剛性自動(dòng)化階段。
1.2 現代機械制造工藝的特點(diǎn)
近年來(lái)，機械制造工藝理論和技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越快，出了較為傳統的制造方法外，由于很多新材料的出現和制造精度等的提升，特別是新型產(chǎn)品的制造生產(chǎn)，比如計算機，集成電等，打開(kāi)了機械制造工藝的新的領(lǐng)域，而現代機械制造工藝的新的特點(diǎn)，總的來(lái)說(shuō)，可以歸結為3點(diǎn)：高技術(shù)化，智能化，清潔化。
(1)高技術(shù)化：高科技的應用時(shí)機械制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢，隨著(zhù)時(shí)代的進(jìn)步，高科技技術(shù)也是日新月異，在機械制造領(lǐng)域中，應用的高科技技術(shù)也很多，比如激光技術(shù)，自控技術(shù)，電磁技術(shù)，納米技術(shù)等等，使用這些高技術(shù)附加值的新型制造工藝，大大縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，使產(chǎn)品上市快，成本低，質(zhì)量好，進(jìn)而提高了企業(yè)的生產(chǎn)柔性，使企業(yè)在市場(chǎng)中更具有競爭力。
(2)智能化：智能化機械制造工藝就是通過(guò)計算機控制，將人工智能應用于制造過(guò)程中，是人處于完全的智力工作狀態(tài)，在整個(gè)過(guò)程中，系統能夠代替人而自動(dòng)地對自身的運行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，在系統發(fā)生故障時(shí)能夠自動(dòng)改變參數，進(jìn)行自我修理。
智能化的制造生產(chǎn)過(guò)程，能夠大大地降低人類(lèi)的勞動(dòng)強度，使生產(chǎn)過(guò)程更精確，更規范。
(3)清潔化：清潔化的制造工藝是指在現有條件下，在保證產(chǎn)品的質(zhì)量不受影響的同時(shí)，將生產(chǎn)過(guò)程對環(huán)境的污染程度降到最低，并且加大資源的利用率。
目前，環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)非常嚴重，在機械制造行業(yè)中，清潔化生產(chǎn)也是一個(gè)熱點(diǎn)話(huà)題，真正做到清潔化生產(chǎn)，是綠色理念真正融入到企業(yè)文化中，是實(shí)習可持續發(fā)展的根本，更是利于人類(lèi)社會(huì )的一項事業(yè)。
2 機械制造工藝的未來(lái)發(fā)展趨勢
機械制造工藝隨著(zhù)高科技的發(fā)展，在新技術(shù)的帶動(dòng)下，正在朝著(zhù)新的方向發(fā)展，其中集成化，精細化，敏捷化便是機械制造工藝發(fā)展趨勢的3個(gè)熱點(diǎn)方向。
(1)集成化：集成化的發(fā)展是高度綜合自動(dòng)化發(fā)展的衍生品，這表面機械制造工藝從原先的單位加工轉化為完整的連續性加工。
集成化不是簡(jiǎn)單的個(gè)體連接，而是經(jīng)過(guò)統一的規劃，優(yōu)化重組來(lái)實(shí)現的。
(2)精細化：機械制造工藝的發(fā)展，伴隨著(zhù)加工精度的不斷提高，如今，加工精度已經(jīng)進(jìn)入納米級的探索階段，由于加工精度的提升，使得產(chǎn)品的性能，品質(zhì)也大大改善，甚至出現了很多新型材料，新型產(chǎn)品，相信在不久的將來(lái)，機械制造工藝能夠完全進(jìn)入納米時(shí)代，或者更精細的階段。
(3)敏捷化：敏捷化制造是同其它企業(yè)分工合作，為了一個(gè)共同的大的目標而努力，自己完成自己的工作，最后再將細節工作結合在一起，以此來(lái)提高市場(chǎng)的整體競爭力，同時(shí)，能夠對客戶(hù)的需求快速地做出反應，因為各部分工作都由不同的制造企業(yè)完成，所以能迅速地做出各個(gè)部分的生產(chǎn)調整，而不影響整體的工作進(jìn)度，實(shí)現利益的最大化。
3 結語(yǔ)
機械制造工藝是當今世界的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域，與社會(huì )發(fā)展息息相關(guān)，我國作為一個(gè)制造業(yè)大國，必須要掌握先進(jìn)的機械制造工藝和核心技術(shù)，才能在把握住時(shí)機，使我國從一個(gè)制造業(yè)大國變?yōu)橐粋�(gè)制造業(yè)強國。
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