有关微型机械加工的发展现状研究hlpp.docx
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1、关于微型型机械加加工的发发展现状状研究孙晓娜(辽宁工工程技术术大学机械工工程学院院,辽宁宁阜新市 12230000)摘要:微微型机械械加工技技术是21世纪核核心技术术之一,本本文扼要要介绍有有关微型型机械加加工技术术技术的的基础性性概念,国国内外微微型机械械加工技技术的发发展现状状及其发发展新模模式和新新趋势关键词:兴起;微型机械械;加工技技术;应用;关键技技术;发展现现状;发展趋趋势1微型机机械加工工技术的的兴起人类在面面临环境境污染日日益加重重的情况况下,提出了了可持续续发展的的战略.该战略要要求建立立社会和和经济的的发展必必须与资资源和环环境的保保护相协协调的模模式.这就要要求人们们对环
2、境境中诸如如大气、水水的理化化参数等等指标的的检测手手段具有有先进性性、适时时性和综综合性.利用微微型机机机械系统统灵敏度度高、可可靠性好好、多功功能和高高集成的的特点进进行环境境检测和和污染评评价,以减少少像发电电机、化化工厂、汽汽车和飞飞机所造造成的污污染是非非常方便便的.例如,研制集集测量pH值、流流量和成成分分析析等功能能于一体体的多功功能传感感器就能能在监测测多种污污染方面面发挥很很好的作作用1.人类追追求美好好生活的的愿望越越来越受受到资源源因素的的约束,解决这这一矛盾盾的有效效途径有有两条:一是开开发利用用新资源源;二是充充分、高高效地利利用现有有资源.微型机机械技术术在解决决这
3、一矛矛盾的二二个途径径上均有有独到的的优势.从已研研制出的的静电型型微电机机和压电电型微电电机来看看,它们分分别利用用静电和和超声波波来做驱驱动能源源.由于微微型机械械的能耗耗低、效效率高,这就为为人类解解决资源源问题“另辟蹊蹊径”.微型机机械的出出现为人人类战胜胜疾病提提供了强强有力的的武器和和手段.微型机机械体积积小、重重量轻、能能耗低,能进入入一般机机械无法法进入的的微小空空间作业业,且能进进行精细细操作,加之又又能与微微电子集集成和接接口,有利于于简化结结构并强强化功能能.例如,将微型型传感器器用口服服或皮下下注射的的方法送送入人体体,就可以以对体油油脂沉积积物,可除去去体中的的胆固醇
4、醇,可探测测和清除除人体内内的癌细细胞.微型机机械在现现代医疗疗技术中中的应用用潜力十十分巨大大,它为人人类最终终征服各各种绝症症和延长长寿命带带来了希希望.微型机机械在其其他领域域同样具具有巨大大的应用用潜力.在宇航航中,可将全全集成气气相色谱谱微系统统散布在在广漠的的太空,进行星星际物质质和生命命起源的的探测;在工业业中,可用大大量一次次性微型型机器人人去清除除锈蚀,检查和和维修高高压容器器的焊缝缝;在超大大规模集集成电路路制造中中,可用微微型气体体精控器器、微真真空操作作器以及及微定位位器等来来提高兆兆级VLSSI的加工工精度制制造水平平;在航空空器和汽汽车的前前部装上上微型远远红外导导
5、航仪,就能早早期发现现目标和和前方障障碍;在军事事中,将微齿齿轮组织织的“强链”微型机械械用于核核武器安安全装置置,可避免免核武器器由雷击击引起的的突发事事故.2微型机机械加工工技术概概念微型机械械加工或或称微型型机电系系统或微微型系统统是只可可以批量量制作的、集集微型机机构、微微型传感感器、微微型执行行器以及及信号处处理和控控制电路路、甚至至外围接接口、通通讯电路路和电源源等于一一体的微微型器件件或系统统。其主主要特点点有:体体积小(特特征尺寸寸范围为为:1m-110mmm)、重重量轻、耗耗能低、性性能稳定定;有利利于大批批量生产产,降低低生产成成本;惯惯性小、谐谐振频率率高、响响应时间间短
6、;集集约高技技术成果果,附加加值高。微微型机械械的目的的不仅仅仅在于缩缩小尺寸寸和体积积,其目目标更在在于通过过微型化化、集成成化、来来搜索新新原理、新新功能的的元件和和系统,开开辟一个个新技术术领域,形形成批量量化产业业。微型型机械加加工技术术是指制制作为机机械装置置的微细细加工技技术。微微细加工工的出现现和发展展早是与与大规模集成成电路密密切相关关的,集集成电路路要求在在微小面面积的半半导体上上能容纳纳更多的的电子元元件,以以形成功功能复杂杂而完善善的电路路。电路路微细图图案中的的最小线线条宽度度是提高高集成电电路集成成度的关关键技术术标志,微细细加工对对微电子子工业而而言就是是一种加加工
7、尺度度从微米米到纳米米量级的的制造微微小尺寸寸元器件件或薄模模图形的的先进制制造技术术。目前前微型加加工技术术主要有有基于从从半导体体集成电电路微细细加工工工艺中发发展起来来的硅平平面加工工和体加加工工艺艺,上世世纪八十十年代中中期以后后在LIIGA 加工(微微型铸模模电镀工工艺)、准准LIGGA 加加工,超微微细加工工、微细细电火花花加工(EDM)、等离子束加工、电子束加工、快速原型制造(RPM)以及键合技术等微细加工工艺方面取得相当大的进展。微型机械械系统可可以完成成大型机机电系统统所不能能完成的的任务。微微型机械械与电子子技术紧紧密结合合,将使使种类繁繁多的微微型器件件问世,这这些微器器
8、件采用用大批量量集成制制造,价价格低廉廉,将广广泛地应应用于人人类生活活众多领领域。可可以预料料,在本本世纪内内,微型型机械将将逐步从从实验室室走向适适用化,对对工农业业、信息息、环境境、生物物医疗、空空间、国国防等领领域的发发展将产产生重大大影响。微细机械加工技术是微型机械技术领域的一个非常重要而又非常活跃的技术领域,其发展不仅可带动许多相关学科的发展,更是与国家科技发展、经济和国防建设息息相关。微型机械加工技术的发展有着巨大的产业化应用前景。3关键技技术和前前沿关键键技术3.1关关键技术术微型机械械是一个个新兴的的、多学学科交叉叉的高科科技领域域,面临临许多课课题,涉涉及许多多关键技技术。
9、当一个系系统的特特征尺寸寸达到微微米级和和纳米级级时,将将会产生生许多新新的科学学问题。例例如随着着尺寸的的减少,表表面积与与体积之之比增加加,表面面力学、表表面物理理效应将将起主导导作用,传传统的设设计和分分析方法法将不再再适用。为为摩擦学学、微热热力这等等问题在在微系统统中将至至关重要要。微系系统尺度度效应研研究将有有助于微微系统的的创新。微型机械械不是传传统机械械直接微微型化,它它远超出出了传统统机械的的概念和范范畴。微微型机械械在尺度度效应、结结构、材材料、制制造方法法和工作作原理等等方面,都都与传统统机械截截然不同同。微系系统的尺尺度效应应、物理理特性研研究、设设计、制制造和测测试研
10、究究是微系系统领域域的重要要研究内内容。在微系统统的研究究工作方方面,一一些国内内外研究究机构已已在微小小型化尺尺寸效应应,微细细加工工工艺、微微型机械械材料和和微型结结构件、微微型传感感器、微微型执行行器、微微型机构构测量技技术、微微量流体体控制和和微系统统集成控控制以及及应用等等方面取取得不同同程度的的阶段性性成果。微微型机械械加工技技术是微微型机械械发展的的关键基基础技术术,其中中包括微微型机械械设计微微细加工工技术、微微型机械械组装和和封装技技术、为为系统的的表征和和测量技技术及微系系统集成成技术。3.2前前沿关键键技术(1)微微系统设设计技术术。微系系统设计计技术主主要是微微结构设设
11、计数据据库、有有限元和和边界分分析、CADD/CAAM仿真和和拟实技技术、微微系统建建模等,微微小型化化的尺寸寸效应和和微小型型理论基基础研究究也是设设计研究究不可缺缺少的课课题,如如:力的的尺寸效效应、微微结构表表面效应应、微观观摩擦机机理、热热传导、误误差效应应和微构构件材料料性能等等。(2)微微细加工工技术.微细加加工技术术主要指指高深度度比多层层微结构构的硅表表面加工工和体加加工技术术,利用用X射线光光刻、电电铸的LIGGA和利用用紫外线线的准LIGGA加工技技术;微微结构特特种精密密加工技技术包括括微火花花加工、能能束加工、立立体光刻刻成形加加工;特特殊材料料特别是是功能材材料微结结
12、构的加加工技术术;多种种加工方方法的结结合;微微系统的的集成技技术;微微细加工工新工艺艺探索等等。(3)微微型机械械组装和和封装技技术。微微型机械械组装和和封装技技术主要要指沾接接材料的的粘接、硅硅玻璃静静电封接接、硅硅硅键合技技术和自自对准组组装技术术,具有有三维可可动部件件的封装装技术、真真空封装装技术等等新封装装技术的的探索。(4)微微系统的的表征和和测试技技术.微系统统的表征征和测试试技术主主要有结结构材料料特性测测试技术术,微小小力学、电电学等物物理量的的测量技技术,微微型器件件和微型型系统性性能的表表征和测测试技术术,微型型系统动动态特性性测试技技术,微微型器件件和微型型系统可可靠
13、性的测测量与评价价技术。4微型机机械加工工技术的的国内外外发展现现状4.1国国外技术术现状19599年,RiichaardPP.Feeynmman(19665年诺贝贝尔物理理奖获得得者)就提出了了微型机机械的设设想19962年第一一个硅微微型压力力传感器器问世,其后开开发出尺尺寸为505000Lm的齿轮!齿轮泵!气动涡涡轮及联联接件等等微机械械19965年,斯坦福福大学研研制出硅硅脑电极极探针,后来又又在扫描描隧道显显微镜!微型传传感器方方面取得得成功19987年美国国加州大大学伯克克利分校校研制出出转子直直径为6012LLm的硅微微型静电电机,显示出出利用硅硅微加工工工艺制制作小可可动结构构
14、并与集集成电路兼容以以制造微微小系统统的潜力力微型机机械在国国外已受受到政府府部门!企业界!高等学学校与研研究机构构的高度度重视美国MITT!Beerkeeleyy!Sttanffordd!ATT&T和NSF的15名科学学家在上上世纪八八十年代代未提出出/小机器!大机遇:关于新兴兴领域)微动力力学的报报告0的国家家建议书书,声称/由于微微动力学学(微系统)在美国国的紧迫迫性,应在这这样一个个新的重重要技术术领域与与其它国国家的竞竞争中走走在前面面0,建议中中央财政政预支费费用为五五年MEMMS作为科科技发展展的三大大重点美国宇宇航局投投资1亿美元着着手研制/发现号号微型卫卫星0,美国国国家科学
15、学基金会会把MEMMS作为一一个新崛崛起的研究究领域并制制定了资资助微型型电子机机械系统统的研究究的计划划,从19998年开始,资助MITT,加州大大学等8所大学学和贝尔尔实验室室从事这这一领域域的研究究与开发发,年资助助额从100万!2000万加到19993年的500万美元19994年发布布的5美国国国防部技技术计划划6报告,把MEMMS列为关关键技术术项目美国国国防部高高级研究究计划局局积极领领导和支支持MEMMS的研究究和其军军事应用用,现已建建造一条条MEMMS标准工工艺线以以促进新新型元件/装置的的研究与与开发美国工工业界主主要致力力于压力力传感器器!位移传传感器!应变仪仪和加速速度
16、表等等传感器器有关领领域的研研究很多机机构参加加了微型型机械系系统的研究,如康奈奈尔大学!斯坦福福大学!加州大大学伯克克利分校校!密执安安大学!威斯康康星大学学!劳伦兹兹得莫尔尔国家研研究等加州大大学伯克克利传感感器和执执行器中中心(BSSAC)得到国国防部和和十几家家公司资资助15000万元后,建立了11115m22研究开开发MEMS的超净净实验室室日本通通产省19991年开始始启动一一项为期期10年!耗资250亿日元元的微型型机械大大型研究究计划,研制两两台样机机,一台用用于医疗疗,进入人人体进行行诊断和和微型手手术,另一台台用于工工业,对飞机机发动机机和原子子能设备备的微小小裂纹实实施维
17、修修该计划划有筑波波大学!东京工工业大学学!东北大大学!早稻田田大学和和富士通通研究所所等几十十家单位参加欧洲工业业发达国国家也相相继对微微型系统统的研究究开发进进行了重重点投资资,德国自19888年开始始微加工工十年计计划项目目,其科技技部于19990年19993年拨款4万马克克支持/微系统统技术0研究,并把微微系统列列为本世世纪初科科技发展展的重点点,德国首创创的LIGGA工艺,为MEMMS的发展展提供了了新的技技术手段段,并已成成为三维维结构制制作的优优选工艺艺法国19993年启动动的70000万法朗朗的/微系统统与技术术0项目欧共体体组成/多功能能微系统统研究网网络NEXXUS00,联
18、合协协调46个研究究所的研研究瑞士在其其传统的的钟表制制造业和和小型精精密机械械工业的的基础上上也投入入了MEMMS的开发发工作,19992年投资资为10000万美元英国政政府也制制订了纳纳米科学学计划,在机械!光学!电子学学等领域域列出8个项目目进行研研究与开开发为了加加强欧洲洲开发MEMMS的力量,一些欧欧洲公司司已组成成MEMMS开发集集团目前已已有大量量的微型型机械或或微型系系统被研研究出个个红血球球,尺寸为7mmm7mmm22mm的微型型泵流量量可达2500Ll/minn,能开动动的3mm大小的的汽车,在磁场场中飞行行的机器器蝴蝶,以及集集微型速速度计!微型陀陀螺和信信号处理理系统为
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