微機(jī)械加工技術(shù)淺談

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1概述

微型機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是可以批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路，甚至外圍接口、通信電路和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)有：體積小，重量輕，耗能低、性能穩(wěn)定；有利于大批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本；慣性小，諧振頻率高，響應(yīng)時(shí)間短；集約高技術(shù)成果，附加值高等。微型機(jī)電系統(tǒng)體積小，能耗低，智能化程度高，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。例如：在生物醫(yī)療中“，智能藥丸”微型機(jī)械可通過口服或皮下注射進(jìn)入人體，探測(cè)和清除人體內(nèi)的癌細(xì)胞，此外還可用于視網(wǎng)膜手術(shù)，修補(bǔ)血管等。在工業(yè)領(lǐng)域，維修用的微型機(jī)械產(chǎn)品可以在狹窄空間和惡劣環(huán)境下進(jìn)行診斷和修復(fù)工作。

2微機(jī)械加工技術(shù)

微型機(jī)電系統(tǒng)涉及許多關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的特征尺寸達(dá)到微米和納米量級(jí)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生許多新的問題。微機(jī)械加工技術(shù)是其中之一，它涉及微細(xì)加工技術(shù)、微型機(jī)械組裝和封裝技術(shù)、微系統(tǒng)的測(cè)試技術(shù)等。微細(xì)加工技術(shù)主要有半導(dǎo)體加工技術(shù)、LIGA技術(shù)、集成電路技術(shù)、特種加工技術(shù)、微細(xì)切削磨削加工、快速原型制造技術(shù)和鍵合技術(shù)。

2.1半導(dǎo)體加工技術(shù)

半導(dǎo)體加工技術(shù)即半導(dǎo)體表面和立體的微細(xì)加工，指在以硅為主要材料的基片上進(jìn)行沉積、光刻與腐蝕的工藝過程。半導(dǎo)體加工技術(shù)使微型系統(tǒng)的制作具有低成本、大批量的潛力。1）光刻加工技術(shù)光刻加工可分為兩個(gè)階段，第一階段為原版制作，生成工作原版或工作掩膜，為光刻時(shí)的模板，第二階段為光刻。在制造大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等場(chǎng)合，需采用CAD技術(shù)，把集成電路設(shè)計(jì)與制版結(jié)合起來，即進(jìn)行自動(dòng)制版。2）體微機(jī)械加工技術(shù)體微機(jī)械加工是一種對(duì)硅襯低的某些部位用腐蝕技術(shù)有選擇地去除一部分以形成微型機(jī)械結(jié)構(gòu)的工藝，常用的主要有濕法腐蝕和干法腐蝕兩種。濕法腐蝕是利用化學(xué)腐蝕的方法對(duì)硅片進(jìn)行加工的技術(shù)，一般用各向同性化學(xué)腐蝕、各向異性化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。干法腐蝕是利用粒子轟擊時(shí)對(duì)材料的某些部位進(jìn)行選擇性腐蝕的方法，即采用等離子體腐蝕、離子束和濺射腐蝕、反應(yīng)離子束腐蝕等工藝來腐蝕多晶硅膜、氮化硅膜以形成微型機(jī)械結(jié)構(gòu)。目前，隨著干法腐蝕技術(shù)的發(fā)展，已形成以干法為主，干、濕結(jié)合的刻蝕工藝。3）面微機(jī)械加工技術(shù)面微機(jī)械加工技術(shù)是在硅表面根據(jù)需要生成多層薄膜，如二氧化硅、多晶硅、氮化硅、磷硅玻璃膜層，在硅平面上形成所需要的形狀，甚至是可動(dòng)部件。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：在制造過程中所使用的材料和工藝與常規(guī)集成電路的生產(chǎn)有很強(qiáng)的兼容性，不必另外投資；再者，只要在制膜上略加改動(dòng)，就可以用同樣的方法制造出大量的不同結(jié)構(gòu)。其最大的優(yōu)勢(shì)在于把機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子電路集成一起的能力，從而使微產(chǎn)品具有更好的性能和更高的穩(wěn)定性。

2.2LIGA技術(shù)和準(zhǔn)LIGA技術(shù)

LIGA技術(shù)是一種由半導(dǎo)體光刻工藝派生出來的，采用光刻方法一次生成三維空間微型機(jī)械構(gòu)建的方法，該技術(shù)的機(jī)理由深層X射線光刻、電鑄成形及注塑成型三個(gè)工藝組成。它的主要工藝過程為：X光光刻掩膜版的制作、X光深光刻、光刻膠顯影、電鑄成形、塑模制作、塑模脫模成形等。具體過程為：先用聚乙-甲基丙烯酸等作光致抗蝕劑涂在基板上，再在基板上蓋上已刻好圖形的金屬掩膜，再用X射線使光刻膠層曝光、顯影，將未曝光部分溶解掉，制成抗蝕層的結(jié)構(gòu)圖形，再在抗蝕層的結(jié)構(gòu)圖形的間隙出鍍上鎳、銅或金等金屬至所需厚度，制成金屬膜，以此膜為母模注射塑料型芯，再將型芯電鍍成金屬構(gòu)件。

2.3集成電路（IC）技術(shù)

這是一種發(fā)展十分迅速且較成熟的制作大規(guī)模電路的加工技術(shù)，在微型機(jī)械加工中使用較為普遍，是一種平面加工技術(shù)。但該技術(shù)的刻蝕深度只有數(shù)百納米，且只限于制作硅材料的零部件。

2.4超微型機(jī)械加工和電火花線切割加工

用小型精密金屬切削機(jī)床及電火花、線切割等加工方法，制作毫米級(jí)尺寸左右的微型機(jī)械零件，是一種三維實(shí)體加工技術(shù)，加工材料廣泛，但多是單件加工、單件裝配，費(fèi)用較高。精密微細(xì)切削加工適合所有金屬材料、塑料及工程陶瓷，適合具有回轉(zhuǎn)表面的微型零件加工，如圓柱體，螺紋表面、溝槽、圓孔及平面加工，切削方式有車削、銑削、鉆削。精密微細(xì)磨削可用于硬脆材料的圓柱體表面、溝槽、切斷的加工。微細(xì)電火花加工是利用微型EMD電極對(duì)工件進(jìn)行電火花加工，可以對(duì)金屬、聚晶金剛石、單晶硅等導(dǎo)體、半導(dǎo)體材料做垂直工件表面的孔、異形槽、成形表面的加工。微細(xì)電火花線切割加工也可以加工微細(xì)外圓表面，在工件的一側(cè)裝有線切割用的鉬絲，工件作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，鉬絲在走絲中對(duì)工件軸線做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)工件外圓的加工。

2.5鍵合技術(shù)

鍵合技術(shù)是一種把兩個(gè)固體部件在一定溫度與電壓下直接鍵合在一起的封裝技術(shù)，期間不用任何粘接劑，在鍵合過程中始終處于固相狀態(tài)。它可以是硅-玻璃靜電鍵合，也可以是硅-硅直接鍵合。它可以實(shí)現(xiàn)硅一體化微型機(jī)械結(jié)構(gòu)，不存在界面失配問題，有利于提高器件性能。

3總結(jié)

微機(jī)械加工技術(shù)作為微型機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，將隨MEMS的發(fā)展和應(yīng)用而有一個(gè)大的發(fā)展。硅加工、LIGA加工和準(zhǔn)LIGA加工向著制作更復(fù)雜、更高深比、適合各種要求的微結(jié)構(gòu)，以及更易于和電路集成的方向發(fā)展。

作者：周大偉 單位：永城職業(yè)學(xué)院