微机械制造工艺及其应用

时间：2021-02-09 18:29:58 机电一体化毕业论文我要投稿

微机械制造工艺及其应用

　　微机械制造工艺及其应用【1】

　　摘要：在我国制造行业飞速发展的过程中，微机械制造工艺已经在各个行业领域之中得到了广泛的应用，而这一制造体系本身也是目前人类社会极为尖端的制造技术，能够体现出各个国家目前在高精度生产上的水平。

　　本篇文章主要针对为机械制造工艺以及实际应用进行了全面详细的探讨，以期为机械制造工艺的发展最出贡献。

　　关键词：LIGA技术;准LIGA技术

　　在当前的机械制造技术中，微机械制造工艺属于精度极高的生产体系，其生产精度能够达到微米级别。

　　该技术最早就是从硅基电路生产技术所中所脱离出来的，该技术的应用对于某些行业的制造发展来说，起到了至关重要的作用。

　　下文主要针对微机械制造工艺以及应用进行了全面详细的探讨。

　　一、微机械制造工艺及应用

　　1.微机械蚀刻技术

　　微机械生产技术在集成电路生产的使用过程中，相应的加工工艺实际上只需要对于深度在10微米左右的硅片表面加以考虑，但是在对于微机械结构元件进行加工的过程中，必须要完全穿越整个硅片的厚度进行三维式的加工。

　　同时，依据所使用的蚀刻剂不同，所使用的蚀刻方式也分为湿法蚀刻、干法蚀刻。

　　在干法蚀刻的过程中，主要是采取各向同性的蚀刻方式，在有需要的情况下，也可以各向异性蚀刻;而湿法蚀刻，实际上就是在蚀刻剂为液体的情况下称之为湿法蚀刻。

　　在执行各向异性蚀刻工作的过程中，由于单晶硅的原子结构的复杂原因，导致晶面所呈现出的腐蚀速率有着较大的差异性，而在对于晶面的硅衬底采取各项异性腐蚀措施时，会直接沿着晶面停蚀，而面与面之间将会形成一个54.75°的夹角。

　　而在对于这类型的蚀刻速度以及结晶面所存在的关系加以利用之后，能够促使硅衬底得以加工出多种不同形式的结构。

　　2.硅表面微机械制造工艺

　　硅表面微机械制造工艺是微机械器件完全制作在晶片表面而不穿透晶片表面的一种加工技术。

　　一般来讲，微机械结构常用薄膜材料层来制作，常用的薄膜层材料有：多晶硅、氮化硅、氧化硅、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼硅酸玻璃(BPSG)和金属。

　　为了制造复杂的微结构，这种薄膜层采用PVD或CVD方法在硅片上沉积，并利用光刻工艺和化学或物理腐蚀工艺来进行结构制造。

　　在这里，牺牲层起了非常重要的作用。

　　牺牲层的作用就是在连续加工形成结构层的过程中使结构层与衬底隔开。

　　牺牲层厚度一般为1一2μm，但也可以更厚些。

　　沉积后，牺牲层被腐蚀成所需形状。

　　利用表面微机械制造工艺，可以制造悬式结构，如微型悬臂梁、悬臂、微型桥和微型腔等。

　　3.LIGA工艺

　　LIGA工艺本身是属于一种通过X光射线进行三维微结构加工的微机械技术，在这一技术之中，实际上包含了X光深度同步辐射光蚀刻、电铸成型、注塑成型这三个主要的工艺步骤。

　　而LIGA技术本身实际上就是对于平面IC工艺中所涉及到光刻技术加以借鉴，但是相较而言，LIGA技术对于材料加工过程中所呈现出的深宽要远远大于标准IC生产技术中的薄膜亚微米光刻技术参数。

　　同时，所能够加工的厚度，也要高于平面工艺典型值2μm的标准;此外，LIGA工艺还可以有效的针对非硅材料执行三维微细加工工作，并且其中所能够使用的材料也更加的广泛。

　　LIGA技术在微机械加工体系中的应用，有效的推动了MEMS技术本身得以在生产行业中迅速的推广和发展。

　　4.准LIGA技术

　　LIGA技术在实际使用的过程中，所呈现出的成本需求较高，并且其中的工艺技术也极为复杂。

　　为了能够最大限度的避免使用同步辐射光所产生的昂贵成本，可以使用近似的紫外线作为代替性的光源。

　　而这也就是一种类似于LIGA技术的微机械工艺，被称作是LIGA技术，同样能够呈现出深宽比较大大三维微结构加工。

　　具体加工工艺应用如下：

　　l)在硅衬底位置上，通过溅射的方式，使得其表面能够形成一层厚度大约在230nm的钨化钦薄膜。

　　而使用该材料的主要原因是由于，钨化钦所呈现出的附着性极为优秀，并且还能够当做是光刻过程中起到隔离效果的阻挡层。

　　而在经过了相应的清洗处理之后，还可以再次镀上一层厚度大约在200nm左右的金，这一层材料主要作为预镀层使用。

　　2)接着，多次利用旋涂方法，得到约30μm的正性抗蚀层。

　　3)掩模与抗蚀层密切接触曝光，可得到陡峭的轮廓。

　　4)光源一般用高压汞灯。

　　曝光后在碱性显影液中显影，水洗并小合烘干，可得到深宽比大于7的微结构。

　　5)对光刻后的微结构进行电镀，可得到三维金属微结构，可用湿式蚀刻法或反应性离子蚀刻除去预镀层的金和钨化钦。

　　5.传统制造工艺

　　l)超精密机械制造工艺

　　超精密机械制造是用硬度高于工件的工具，对工件材料进行切削加工。

　　目前所用的工具有车刀、钻头、铣刀等，如采用钻石刀具微切削技术可加工直径Φ25μm的轴，表面粗糙度值很低;采用微钻头可以加工直径为Φ2.5μm的孔;采用微细磨料加工可提高加工精度和工件表面的质量，加工单位可达0.01μm，表面粗糙度Rao0.005μm。

　　采用金属丝放电磨削加工可加工出外径Φ0.1mm的注射针头和口径Φ0.6mm的微细喷嘴。

　　2)特种加工工艺

　　(l)激光束加工。

　　激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照射到工件表面。

　　光能被吸收瞬时转化为热能。

　　根据能量密度的高低，可以实现打小孔、微孔、精密切削、加工精微防伪标记、激光微调、动平衡、打字、焊接和表面热处理。

　　(2)用隧道显微镜进行微细加工。

　　该加工方法是将扫描隧道显微镜技术用于分子级加工，其原理是基于量子力学中的隧道效应。

　　采用尖端极细(直径为纳米级)的金属探针作为电极，在真空中用压电陶瓷等微位移机构控制针尖和工件表面保持1～10μm的距离，并在探针和工件间加上较低的电压，则在针尖和工件微观表面间，本来是绝缘的势垒，由于量子力学中粒子的波动和电场的畸变，就会产生近场穿透的“隧道”电流，同时使探针相对于工件样品表面作微位移扫描，就可以观察物质表面单个原子或分子的排列状态和电子在表面的行为，获得单个原子在表面排列的信息。

　　(3)微细电火花加工。

　　微细电火花加工是在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时、局部高温来溶化和汽化蚀除金属，加工过程中工具与工件间没有宏观的切削力，只要控制精微的单个脉冲放电能量，配合精密微量进给就可以实现极微细的金属材料的去除加工，可加工微细的轴、孔、窄缝、平面、空间曲面等。

　　二、结语

　　综上所述，在经过了数十年的发展之后，微机械技术已经从以往单一的三维加工拓展，朝着系统集成的方向发展，从基础性的探索，开始进行实用化的研究。

　　而在未来的微机械生产技术价值研究上所涉及到的重点环节，就在于微机构三维立体敬爱工、微机械集成、微机械封装技术等。

　　总之，微机械技术的应用，对于我国高新技术产业的发展来说，起到了至关重要的推动作用。

　　参考文献

　　[1]王斌，常秋英，齐烨.激光表面织构化对45～#钢干摩擦特性的影响[J].润滑与密封.2013(12)

　　[2]袁义坤，赵增辉，王育平，郭钦贤.微机械制造技术发展及其应用现状[J].煤矿机械.2006(09)

　　[3]张帅，贾育秦.MEMS技术的研究现状和新进展[J].现代制造工程.2005(09)

　　机械制造工艺【2】

　　[摘要]机械制造工艺是各种机械制造方法和过程的总称，是一门集机械、光学、电子、材料科学、信息科学、生物科学、管理学、激光学等最新成就为一体的一个新兴技术与新兴工业，现代的机械制造已经不是传统意义上的机械制造，现代机械制造工艺是在高科技的推动下，以智能化，环保化，节能化为导向，以可持续发展为目标的新型工艺。

　　[关键词] 机械制造制造工艺

　　众所周知，制造业是一个国家的国民经济的支柱产业，是一个国家综合国力的综合体现，机械制造工艺的发展是人民生活水平提高的重要保障，当今世界，正在发生着深刻的变化，对机械制造行业的影响也比较大，机械制造工艺也被赋予了新的内涵，传统的机械制造行业在不断吸收各方面最新成果之后，将其应用于机械制造工艺的改革与创新，这使得现代机械制造工艺呈现出信息化、高技术化、极端化、绿色化、服务增值等特点和趋势。

　　对于我国来说，自从改革开放以来，中国机械制造工艺取得了长足的发展，但是，我国的机械制造工艺同国外高技术水平国家相比差距依然较大，存在着资源利用率底，污染处理不力，自主创新能力低下等等问题。

　　这些问题需要国家加大对机械制造工艺的重视，加大机械制造工艺的资金和资源投入，使我国从一个机械制造大国转型为机械工艺设计大国。

　　1 机械制造工艺的历史

　　现代机械制造工艺的说法是上世纪80年代提出的，但是其进入实用范围已经有半个多世纪了，机械制造技术由最初的纯手工操作，逐步变为了机械替代，这样，产品的质量和整个生产效率得到了大大的提高，劳动强度也减轻了不少。

　　机械制造是伴随着人类历史的发展而发展的，从原始社会时期，人类便创造了石器工具来狩猎，这也是人类第一次使用工具，之后，为了满足日常生活的需要，人类陆续发明了土器，铜器和铁器工具，但是这些工具的制造工艺非常简单，其中的科技含量很低，随着社会生产力的提升，人类的机械制造工艺也在不断的更新，同时，机械制造工艺已经不仅仅是为了满足人类的基本生活需求，同时也向文化，艺术，工业等方面发展，从而提高了人类的物质文明。

　　到了近代，出现了大工业生产，蒸汽机的问世，带来了第一次工业革命，内燃机技术的出现，带来了汽车，火车的发展，人类对于机械制造工艺的研究开始向自动化，大型化转变，同时，对于机械制造的认识上了一个台阶。

　　而以电能为基础的第二次工业革命，则是机械制造发展史上的另一座里程碑，电能的运用，使得生产效率呈几何式地增长，从第二次工业革命开始，机械制造工艺真正达成了科学与技术的融合，自然科学的发展，开始同机械制造紧密结合，机械制造开始依赖于科学的创新与发展，人类对机械制造工艺的认识转变到智能化，高科技化转变。

　　所以说，机械制造工艺的发展是也人类历史的发展史。

　　1.1 我国机械制造工艺的现状

　　机械制造工艺是机械制造行业的核心技术支持，目前我国还处于机械制造的发展阶段，但是，已经有一些先进的机械制造工艺应用于机械制造当中。

　　此外，自控技术已经逐步应用于机械制造之中，这也是计算机技术的发展的成果，而且，有计算机控制的流水线作业也逐步进入到机械生产过程中，柔性控制技术目前在我国还没有得到完全普及。

　　近年来，我国的机械制造工艺不断采用先进技术，但是与发达国家相比，任然存在着较大的差距，这主要体现在4个方面。

　　(1)发达国家广泛采用计算机管理等新的管理思想和技术，而我国只有少数大型企业采用计算机管理，在很多小型企业，计算机管理还处于起步阶段。

　　(2)发达国家不断更新设计数据和设计准则，采用新的.设计方法，而我国采用的设计方法还处于图纸设计阶段。

　　(3)发达国家已经广泛采用高精密加工，微加工，微型机械，纳米加工，电磁加工等新型机械制造工艺，而我国尚处于研发阶段。

　　(4)发达国家普遍采用数控机床，实现了机械加工自动化，智能化，集成化，我国尚处于单机自动化，刚性自动化阶段。

　　1.2 现代机械制造工艺的特点

　　近年来，机械制造工艺理论和技术的发展越来越快，出了较为传统的制造方法外，由于很多新材料的出现和制造精度等的提升，特别是新型产品的制造生产，比如计算机，集成电等，打开了机械制造工艺的新的领域，而现代机械制造工艺的新的特点，总的来说，可以归结为3点：高技术化，智能化，清洁化。

　　(1)高技术化：高科技的应用时机械制造业发展的必然趋势，随着时代的进步，高科技技术也是日新月异，在机械制造领域中，应用的高科技技术也很多，比如激光技术，自控技术，电磁技术，纳米技术等等，使用这些高技术附加值的新型制造工艺，大大缩短了产品的生产周期，使产品上市快，成本低，质量好，进而提高了企业的生产柔性，使企业在市场中更具有竞争力。

　　(2)智能化：智能化机械制造工艺就是通过计算机控制，将人工智能应用于制造过程中，是人处于完全的智力工作状态，在整个过程中，系统能够代替人而自动地对自身的运行状态进行实时监控，在系统发生故障时能够自动改变参数，进行自我修理。

　　智能化的制造生产过程，能够大大地降低人类的劳动强度，使生产过程更精确，更规范。

　　(3)清洁化：清洁化的制造工艺是指在现有条件下，在保证产品的质量不受影响的同时，将生产过程对环境的污染程度降到最低，并且加大资源的利用率。

　　目前，环境污染问题已经非常严重，在机械制造行业中，清洁化生产也是一个热点话题，真正做到清洁化生产，是绿色理念真正融入到企业文化中，是实习可持续发展的根本，更是利于人类社会的一项事业。

　　2 机械制造工艺的未来发展趋势

　　机械制造工艺随着高科技的发展，在新技术的带动下，正在朝着新的方向发展，其中集成化，精细化，敏捷化便是机械制造工艺发展趋势的3个热点方向。

　　(1)集成化：集成化的发展是高度综合自动化发展的衍生品，这表面机械制造工艺从原先的单位加工转化为完整的连续性加工。

　　集成化不是简单的个体连接，而是经过统一的规划，优化重组来实现的。

　　(2)精细化：机械制造工艺的发展，伴随着加工精度的不断提高，如今，加工精度已经进入纳米级的探索阶段，由于加工精度的提升，使得产品的性能，品质也大大改善，甚至出现了很多新型材料，新型产品，相信在不久的将来，机械制造工艺能够完全进入纳米时代，或者更精细的阶段。

　　(3)敏捷化：敏捷化制造是同其它企业分工合作，为了一个共同的大的目标而努力，自己完成自己的工作，最后再将细节工作结合在一起，以此来提高市场的整体竞争力，同时，能够对客户的需求快速地做出反应，因为各部分工作都由不同的制造企业完成，所以能迅速地做出各个部分的生产调整，而不影响整体的工作进度，实现利益的最大化。

　　3 结语

　　机械制造工艺是当今世界的重点关注领域，与社会发展息息相关，我国作为一个制造业大国，必须要掌握先进的机械制造工艺和核心技术，才能在把握住时机，使我国从一个制造业大国变为一个制造业强国。

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