微細(xì)機(jī)械的研究動(dòng)態(tài)及其應(yīng)用前景展望
唐蘇亞
(漣水縣工業(yè)企業(yè)技術(shù)管理服務(wù)中心223400)
【摘 要】論述微細(xì)機(jī)械的研究發(fā)展概況、微加工技術(shù)及超微電動(dòng)機(jī)的****研制狀況，并對(duì)微細(xì)機(jī)械的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，指出微細(xì)機(jī)械將成為跨世紀(jì)的高新技術(shù)領(lǐng)域里的一個(gè)重要分支和高附加值的新興產(chǎn)業(yè)。
【敘 詞】微細(xì)機(jī)械加工研究應(yīng)用展望
1引 言
微細(xì)機(jī)械(micro mechanical)是近年來(lái)世界上剛剛崛起，并開(kāi)始走向?qū)嵱秒A段的超小型機(jī)械。與以往的電子機(jī)械相比，它的****差別在于以往的電子機(jī)械是單純利用電子學(xué)理論和機(jī)械理論，將制作出的電子零件和機(jī)械零件，如機(jī)械結(jié)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)、微型計(jì)算機(jī)等多種零部件搭配在一起組合運(yùn)用。而微細(xì)機(jī)械是在同一塊硅底板上，使用半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)(micro fabrication)和微電子技術(shù)(microelectronics)，制造出機(jī)電一體化(mechatron-ics)的產(chǎn)品，把機(jī)電兩者制成了不可分割的統(tǒng)一整體，實(shí)現(xiàn)了在微機(jī)領(lǐng)域內(nèi)機(jī)和電的真正結(jié)合a 3。如目前已經(jīng)能夠制造出的微型流量控制器、微機(jī)械泵、超微靜電電動(dòng)機(jī)等。這些微型機(jī)械在生物醫(yī)學(xué)、航天技術(shù)、軍事工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
2微細(xì)機(jī)械的研完發(fā)展概況
微細(xì)機(jī)械的研究始于70年代。1975年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)和貝爾實(shí)驗(yàn)室等單位在硅片上蝕刻出色譜儀、微型繼電器等。1979年，lynn michell roylamce, james b.angell等人首次在ieee刊上報(bào)道了新研制的硅加速度計(jì)。1982年，pan-iing chen等人采用硅平面工藝和異向腐蝕技術(shù)，研制出集成微型硅梁pi-fet（壓電場(chǎng)效應(yīng)管）加速度計(jì)姐1。1983年，加利福尼亞大學(xué)巴庫(kù)勒依學(xué)院的roger howe研究成功了所謂犧牲層(sacrifi-cial layer)技術(shù)，采用該技術(shù)不僅能在硅片上較容易地制出微型構(gòu)件，而且也能把它們主體直接裝配在基片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，這是促進(jìn)微細(xì)機(jī)械迅速發(fā)展的重要因素∞3。1 987年6月，在第四屆國(guó)際固體傳感器傳動(dòng)裝置會(huì)議上，日本報(bào)道了利用這種方法制成了轉(zhuǎn)軸能夠自由旋轉(zhuǎn)的齒輪和在導(dǎo)軌作用下能夠左右運(yùn)動(dòng)的滑塊。在同年11月第一次微型電子機(jī)械系統(tǒng)國(guó)際研究會(huì)(micro electro me-chanical systems，簡(jiǎn)寫mems)上，來(lái)自美國(guó)、日本及歐洲的專家，提出用硅或其它材料制造微型電動(dòng)機(jī)的各種方案。日本東京大學(xué)藤田博之籌人，還在會(huì)議上展出了第一臺(tái)超微靜電電動(dòng)機(jī)，成為微細(xì)機(jī)械發(fā)展的新開(kāi)端。之后，世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家都重視微細(xì)機(jī)械的研究開(kāi)發(fā)工作。據(jù)《international heraldtribune》1988年7月18日?qǐng)?bào)道，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的研究人員制成了一臺(tái)厚度只有1～15lmm、直徑100/im的細(xì)如頭發(fā)絲的超微電動(dòng)機(jī)，整個(gè)電機(jī)設(shè)計(jì)在一塊集成電路芯片上。它具有4、8、12個(gè)轉(zhuǎn)子極和6、12、24個(gè)定子極，用靜電力驅(qū)動(dòng)，制造電機(jī)的材料是磷酸硅。美國(guó)電話電報(bào)公司采用硅片生產(chǎn)技術(shù)，研制出渦輪機(jī)和直徑為125vm的齒輪，齒輪上每個(gè)齒僅有寬，比一根頭發(fā)絲的1/5還細(xì)。在德國(guó)，科研人員正在用x射線印刷技術(shù)制造出精確度極高的過(guò)濾器等顯微結(jié)構(gòu)。
此外，在微細(xì)機(jī)械的研制方面，科學(xué)家們還應(yīng)用類似微電子工業(yè)的技術(shù)縮小機(jī)器各部件的尺寸；利用在硅片上腐蝕圖形的方法制造齒輪、電動(dòng)機(jī)及其它部件，僅在0. 092 903 0m2就可以安裝6萬(wàn)個(gè)這種微型電動(dòng)機(jī)。目前，在這一研究領(lǐng)域內(nèi)，美國(guó)居****地位，其國(guó)內(nèi)有數(shù)十處先進(jìn)的硅程序研制設(shè)施，可以制造出血細(xì)胞大小的齒輪，能夠吸入肺部的彈簧曲柄和夾具以及高精度微細(xì)噴嘴等機(jī)械零件。日本在這方面也不斷地向微細(xì)機(jī)械的研究領(lǐng)域進(jìn)軍。日本從1991年開(kāi)始執(zhí)行總投資為150億日元的10年國(guó)家計(jì)劃，用以支持微型機(jī)械和微型傳感器的發(fā)明。歐洲在第一代微細(xì)機(jī)械發(fā)展中較快，具有相當(dāng)多的數(shù)量，但對(duì)半導(dǎo)體機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的研究步伐稍有遲緩，目前正在制定mems援助計(jì)劃，重點(diǎn)是微型信息系統(tǒng)方面，如傳感器、驅(qū)動(dòng)裝置等�？傊�，微細(xì)機(jī)械的研究開(kāi)發(fā)已引起世界各發(fā)達(dá)國(guó)家的普遍關(guān)注。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)有關(guān)專家預(yù)測(cè)，微細(xì)機(jī)械無(wú)疑將成為新崛起的大艦?zāi)９I(yè)，甚至可能又一次形成工業(yè)革命浪潮。
3微細(xì)機(jī)械的加工技術(shù)
據(jù)文獻(xiàn)6、7介紹，目前，通過(guò)微細(xì)機(jī)械加工技術(shù)獲得的器件三維結(jié)構(gòu)主要有三種方法：一是在硅表面沉積siop、psg膜、多晶硅和無(wú)定型硅那樣的薄膜，通過(guò)光刻的犧牲層腐蝕得到可移動(dòng)、可旋轉(zhuǎn)的微小機(jī)械結(jié)構(gòu)；二是異向腐蝕，通過(guò)對(duì)硅單晶的異向腐蝕，可得到在壓力傳感器中的懸臂梁和微型流量控制器中的氣路等機(jī)械結(jié)構(gòu)；三是鍵合，si-class鍵合和si-si鍵合技術(shù)在傳感器和執(zhí)行器制造方面已成功地得到應(yīng)用。
3.1表面沉積
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