1、微型機械加工技術發展現狀和趨勢及其關鍵技術- 微型機械加工技術概念微型機械加工或稱微型機電系統或微型系統是只可以批量制作的、集微型機構、微型傳感器、微型執 行器以及信號處理和控制電路、甚至外圍接口、通訊電路和電源等于一體的微型器件或系統。其主要特點 有：體積小（特征尺寸范圍為：-lommum、重量輕、耗能低、性能穩定；有利于大批量生產，降低生產成本；慣性小、諧振頻率高、響應時間短；集約高技術成果，附加值高。微型機械的目的不僅僅在于縮 小尺寸和體積，其目標更在于通過微型化、集成化、來搜索新原理、新功能的元件和系統，開辟一個新技 術領域，形成批量化產業。微型機械加工技術是指制作為機械裝置的微細加工

2、技術。微細加工的出現和發展早是與大規模集成電 路密切相關的，集成電路要求在微小面積的半導體上能容納更多的電子元件，以形成功能復雜而完善的電 路。電路微細圖案中的最小線條寬度是提高集成電路集成度的關鍵技術標志，微細加工對微電子工業而言 就是一種加工尺度從微米到納米量級的制造微小尺寸元器件或薄模圖形的先進制造技術。目前微型加工技 術主要有基于從半導體集成電路微細加工工藝中發展起來的硅平面加工和體加工工藝，上世紀八十年代中 期以后在 LIGA 加工（微型鑄模電鍍工藝）、準 LIGA 加工，超微細加工、微細電火花加工（ EDM ）、等 離子束加工、電子束加工、快速原型制造（RPM ）以及鍵合技術等微細

3、加工工藝方面取得相當大的進展。微型機械系統可以完成大型機電系統所不能完成的任務。微型機械與電子技術緊密結合，將使種類繁 多的微型器件問世，這些微器件采用大批量集成制造，價格低廉，將廣泛地應用于人類生活眾多領域。可 以預料，在本世紀內，微型機械將逐步從實驗室走向適用化，對工農業、信息、環境、生物醫療、空間、 國防等領域的發展將產生重大影響。微細機械加工技術是微型機械技術領域的一個非常重要而又非常活躍 的技術領域，其發展不僅可帶動許多相關學科的發展，更是與國家科技發展、經濟和國防建設息息相關。 微型機械加工技術的發展有著巨大的產業化應用前景。- 微型機械加工技術的國外發展現狀1959 年， Ric

4、hardPFeynman （ 1965 年諾貝爾物理獎獲得者）就提出了微型機械的設想。 1962 年第一個硅微型壓力傳感器問世，氣候開發出尺寸為50500 um的齒輪、齒輪泵、氣動渦輪及聯接件等微機械。1965 年，斯坦福大學研制出硅腦電極探針，后來又在掃描隧道顯微鏡、微型傳感器方面取得成功。1987年美國加州大學伯克利分校研制出轉子直徑為6012 z的利用硅微型靜電機，顯示出利用硅微加工工藝制造小可動結構并與集成電路兼容以制造微小系統的潛力。微型機械在國外已受到政府部門、企業界、高等學校與研究機構的高度重視。美國MIT 、Berkeley 、StanfordAT&T 和的 15 名科

5、學家在上世紀八十年代末提出"小機器、 大機遇：關于新興領域 - 微動力學的報告 "的國家建議書，聲稱 "由于微動力學（微系統）在美國的緊迫性，應在這樣一個新的重要技術領域與 其他國家的競爭中走在前面 "，建議中央財政預支費用為五年 5000 萬美元，得到美國領導機構重視，連續 大力投資，并把航空航天、信息和 MEMS 作為科技發展的三大重點。美國宇航局投資 1 億美元著手研制 發現號微型衛星 " ，美國國家科學基金會把 MEMS 作為一個新崛起的研究領域制定了資助微型電子機械系 統的研究的計劃，從 1998 年開始，資助 MIT ，加州大學等

6、8 所大學和貝爾實驗室從事這一領域的研究與 開發，年資助額從 100 萬、200 萬加到 1993 年的 500 萬美元。 1994 年發布的美國國防部技術計劃 報告，把 MEMS 列為關鍵技術項目。美國國防部高級研究計劃局積極領導和支持 MEMS 的研究和軍事應 用，現已建成一條 MEMS 標準工藝線以促進新型元件 / 裝置的研究與開發。美國工業主要致力于傳感器、 位移傳感器、應變儀和加速度表等傳感器有關領域的研究。很多機構參加了微型機械系統的研究，如康奈 爾大學、斯坦福大學、加州大學伯克利分校、密執安大學、威斯康星大學、老倫茲得莫爾國家研究等。加 州大學伯克利傳感器和執行器中心（BSAC）

7、得到國防部和十幾家公司資助1500萬元后，建立了 1115m2研究開發 MEMS 的超凈實驗室。日本通產省 1991 年開始啟動一項為期 10 年、耗資 250 億日元的微型大型研究計劃，研制兩臺樣機， 一臺用于醫療、進入人體進行診斷和微型手術，另一臺用于工業，對飛機發動機和原子能設備的微小裂紋 實施維修。該計劃有筑波大學、東京工業大學、東北大學、早稻田大學和富士通研究所等幾十家單位參加。歐洲工業發達國家也相繼對微型系統的研究開發進行了重點投資，德國自1988 年開始微加工十年計劃項目，其科技部于19901993年撥款4萬馬克支持"微系統計劃"研究，并把微系統列為本世紀初科

8、技 發展的重點，德國首創的 LIGA 工藝，為 MEMS 的發展提供了新的技術手段，并已成為三維結構制作的優 選工藝。法國 1993 年啟動的 7000 萬法郎的 "微系統與技術 "項目。歐共體組成 "多功能微系統研究網絡 NEXUS" ，聯合協調 46 個研究所的研究。 瑞士在其傳統的鐘表制造行業和小型精密機械工業的基礎上也投 入了 MEMS 的開發工作， 1992 年投資為 1000 萬美元。英國政府也制訂了納米科學計劃。在機械、光學、 電子學等領域列出 8 個項目進行研究與開發。為了加強歐洲開發 MEMS 的力量，一些歐洲公司已組成 MEMS 開發

9、集團。目前已有大量的微型機械或微型系統被研究出來，例如：尖端直徑為5 gm的微型鑷子可以夾起一個紅血球，尺寸為7m mx 7mmx 2mm的微型泵流量可達 250 g l/min能開動的汽車，在磁場中飛行的機器 蝴蝶，以及集微型速度計、微型陀螺和信號處理系統為一體的微型慣性組合（MIMU ）。德國創造了 LIGA工藝，制成了懸臂梁、執行機構以及微型泵、微型噴嘴、濕度、流量傳感器以及多種光學器件。美國加州 理工學院在飛機翼面粘上相當數量的 1mm 的微梁，控制其彎曲角度以影響飛機的空氣動力學特性。美國 大批量生產的硅加速度計把微型傳感器（機械部分）和集成電路（電信號源、放大器、信號處理和正檢正

10、電路等）一起集成在硅片上 3mmx 3mm 的范圍內。日本研制的數厘米見方的微型車床可加工精度達 1.5 gm 的微細軸。- 微型機械加工技術概念微型機械加工或稱微型機電系統或微型系統是只可以批量制作的、集微型機構、微型傳感器、微型執 行器以及信號處理和控制電路、甚至外圍接口、通訊電路和電源等于一體的微型器件或系統。其主要特點 有：體積小（特征尺寸范圍為：-10n1ngm）、重量輕、耗能低、性能穩定；有利于大批量生產，降低生產成本；慣性小、諧振頻率高、響應時間短；集約高技術成果，附加值高。微型機械的目的不僅僅在于縮 小尺寸和體積，其目標更在于通過微型化、集成化、來搜索新原理、新功能的元件和系統

11、，開辟一個新技 術領域，形成批量化產業。微型機械加工技術是指制作為機械裝置的微細加工技術。微細加工的出現和發展早是與大規模集成電 路密切相關的，集成電路要求在微小面積的半導體上能容納更多的電子元件，以形成功能復雜而完善的電 路。電路微細圖案中的最小線條寬度是提高集成電路集成度的關鍵技術標志，微細加工對微電子工業而言 就是一種加工尺度從微米到納米量級的制造微小尺寸元器件或薄模圖形的先進制造技術。目前微型加工技 術主要有基于從半導體集成電路微細加工工藝中發展起來的硅平面加工和體加工工藝，上世紀八十年代中 期以后在 LIGA 加工（微型鑄模電鍍工藝）、準 LIGA 加工，超微細加工、微細電火花加工（

12、EDM ）、等離子束加工、電子束加工、快速原型制造（ RPM ）以及鍵合技術等微細加工工藝方面取得相當大的進展。微型機械系統可以完成大型機電系統所不能完成的任務。微型機械與電子技術緊密結合，將使種類繁 多的微型器件問世，這些微器件采用大批量集成制造，價格低廉，將廣泛地應用于人類生活眾多領域。可 以預料，在本世紀內，微型機械將逐步從實驗室走向適用化，對工農業、信息、環境、生物醫療、空間、 國防等領域的發展將產生重大影響。微細機械加工技術是微型機械技術領域的一個非常重要而又非常活躍 的技術領域，其發展不僅可帶動許多相關學科的發展，更是與國家科技發展、經濟和國防建設息息相關。 微型機械加工技術的發展

13、有著巨大的產業化應用前景。- 微型機械加工技術的國外發展現狀1959 年， RichardPFeynman （1965 年諾貝爾物理獎獲得者）就提出了微型機械的設想。 1962 年第一個硅微型壓力傳感器問世，氣候開發出尺寸為50500 m的齒輪、齒輪泵、氣動渦輪及聯接件等微機械。 1965 年，斯坦福大學研制出硅腦電極探針，后來又在掃描隧道顯微鏡、微型傳感器方面取得成功。1987年美國加州大學伯克利分校研制出轉子直徑為6012 z的利用硅微型靜電機，顯示出利用硅微加工工藝制造小可動結構并與集成電路兼容以制造微小系統的潛力。微型機械在國外已受到政府部門、企業界、高等學校與研究機構的高度重視。美國

14、MIT 、 Berkeley 、StanfordAT&T 和的 15 名科學家在上世紀八十年代末提出"小機器、 大機遇：關于新興領域 - 微動力學的報告 "的國家建議書，聲稱 "由于微動力學（微系統）在美國的緊迫性，應在這樣一個新的重要技術領域與 其他國家的競爭中走在前面 "，建議中央財政預支費用為五年 5000 萬美元，得到美國領導機構重視，連續 大力投資，并把航空航天、信息和 MEMS 作為科技發展的三大重點。美國宇航局投資 1 億美元著手研制 " 發現號微型衛星 " ，美國國家科學基金會把 MEMS 作為一個新崛起的研究

15、領域制定了資助微型電子機械系 統的研究的計劃，從 1998 年開始，資助 MIT ，加州大學等 8 所大學和貝爾實驗室從事這一領域的研究與 開發，年資助額從 100 萬、 200 萬加到 1993 年的 500 萬美元。 1994 年發布的美國國防部技術計劃 報告，把 MEMS 列為關鍵技術項目。美國國防部高級研究計劃局積極領導和支持 MEMS 的研究和軍事應 用，現已建成一條 MEMS 標準工藝線以促進新型元件 / 裝置的研究與開發。美國工業主要致力于傳感器、 位移傳感器、應變儀和加速度表等傳感器有關領域的研究。很多機構參加了微型機械系統的研究，如康奈 爾大學、斯坦福大學、加州大學伯克利分校

16、、密執安大學、威斯康星大學、老倫茲得莫爾國家研究等。加 州大學伯克利傳感器和執行器中心（BSAC）得到國防部和十幾家公司資助1500萬元后，建立了 1115m2研究開發 MEMS 的超凈實驗室。日本通產省 1991 年開始啟動一項為期 10 年、耗資 250 億日元的微型大型研究計劃，研制兩臺樣機， 一臺用于醫療、進入人體進行診斷和微型手術，另一臺用于工業，對飛機發動機和原子能設備的微小裂紋 實施維修。該計劃有筑波大學、東京工業大學、東北大學、早稻田大學和富士通研究所等幾十家單位參加。歐洲工業發達國家也相繼對微型系統的研究開發進行了重點投資，德國自1988 年開始微加工十年計劃項目，其科技部于

17、19901993年撥款4萬馬克支持"微系統計劃"研究，并把微系統列為本世紀初科技 發展的重點，德國首創的 LIGA 工藝，為 MEMS 的發展提供了新的技術手段，并已成為三維結構制作的優 選工藝。法國 1993 年啟動的 7000 萬法郎的 "微系統與技術 "項目。歐共體組成 "多功能微系統研究網絡 NEXUS" ，聯合協調 46 個研究所的研究。 瑞士在其傳統的鐘表制造行業和小型精密機械工業的基礎上也投 入了 MEMS 的開發工作， 1992 年投資為 1000 萬美元。英國政府也制訂了納米科學計劃。在機械、光學、 電子學等領域列出 8 個項目進行研究與開發。為了加強歐洲開發 MEMS 的力量，一些歐洲公司已組成 MEMS 開發集團。目前已有大量的微型機械或微型系統被研究出來，例如：尖端直徑為5 gm的微型鑷子可以夾起一個紅血球，尺寸為7mmx 7mmx 2mm 的微型泵流量可達 250