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微型机械微型机械的优势与应用研究

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  • 2019-10-08
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  微型机械的优势与应用研究 摘 要:微型机械重量轻、体积小、集成度高、可靠 性理想,在运行过程中不会受到扭曲、噪声、热膨胀等因素 的影响,有着显著的优势。在人类科技水平的不断发展下, 微型机械领域也在不断地完善,微型机械领域是一门综合性 的学科, 其内容涵盖到了化学、 物理、 生物等各个技术领域, 在未来阶段下,还需要针对其中的核心技术进行深入研究, 以期取得更大的突破。该文主要针对微型机械的优势、类型 及其应用展开分析。 关键词:微型机械 优势 应用 中图分类号: TH6 文献标识码: A 文章编号: 1672-3791 (2016)12(c)-0119-02 在大规模集成电力的发展下,各类机电设备也朝着大型 化、大功率以及高强度的方向发展,但是在操作空间因素的 影响下,部分设备的推广受到了阻碍,在这一背景下,发展 微型机械产业非常重要。目前,各个国家都在致力于微型机 械的研究,取得了空前的成果。 1 微型机械的优势分析 微型机械重量轻、 体积小, 以毫米、 微米作为度量单位, 必须要借助仪器才能够了解微型机械的工作状态,关于微型 机械的研究, 最早源于 20 世纪 70 年代, 到了 90 年代时候, 微型机械产业迎来了迅速发展时期,并在各类领域中得到推 广。微型机械是基于现代科学基础上,由全新的思维模式、 设计理念与制作方法指导得出的产物,无论在结构、尺度、 制造方法还是材料上,都属于一门新兴的学科。与传统机械 相比,微型机械重量轻、体积小、集成度高、可靠性理想, 其体积可以达到亚微米以下,尺度精度能够达到纳米级,机 体不会受到扭曲、噪声、热膨胀等因素的影响,抗干扰性非 常理想,能够在不利的环境下工作。微型机械的生产方式应 用了半导体制造工艺,能够集齐电路芯片于一体,显著降低 了制造成本。我国在近几年,通过微齿轮、微泵、微电机、 微马达、微型飞机和微型陀螺等研究,在这一领域取得了突 出进展。提出和发展了由于尺度效应而产生的微机械学。微 型机械技术已开始在我国的社会生产中发挥作用,如,微操 作机器人已开始用于生物工程中的细胞、显微手术和生 物芯片的制造工艺;微传感器已经开始用于飞行器的加速度、 压力等参数的实时测量;纳米薄膜润滑技术已应用于火箭和 计算机硬盘的制造工艺。 2 微型机械的核心技术及其应用 微型机械集齐了微执行器、微传感器、微结构、微系统 于一体,加工方式非常多样,衍生出的技术类型也非常多, 其中代表性的有以下几种。 2.1 集成电路技术 集成电路技术近年来得到了迅速发展,是微型机械加工 中应用最为普遍的一种技术,其刻蚀深度以纳米计,只要应 用在硅材料零部件的制作中。集成电路技术与集成电路的相 容性非常好,因此,应用范围也更加广泛。其中具有代表性 的就是集成电路技术在光显示器以及速度传感器中的应用。 2.2 光刻电铸技术 光刻电铸技术是由德国首次研发成功,该种技术应用了 牺牲层技术与 X 射线光刻技术,能够在任何材料上形成微结 构,已经成为微型机械的重要手段,利用光刻电铸技术能够 制作出微机械零件、 微马达、 微光学元件、 微传感器等产品。 准光刻电铸技术是在光刻电铸技术基础上发展而来,主要由 电铸成型、深层 X 射线光刻、注塑成型工艺组成,该种技术 需要使用 0.2~1 nm 的光,刻蚀深度能够达到几百微米,是 一种非常具有发展前景的三维加工技术,适宜应用在各种金 属与非金属材料微型机械构件的制作中。但是,该种技术使 用的辐射 X 光设备价格偏高,因此并未得到推广。此后,一 种新型金属电镀技术出现,这不需要同步辐射 X 光准光刻电 铸技术,这两种技术的共同点是采用电镀金属层材料来制作, 但是设备条件要求较低,与集成电路相比,相容性更高,有 着更好的实用性与灵活性。 2.3 腐蚀成型技术 腐蚀成型技术在微型机械构件的深加工中有着广泛的 应用,在应用这一技术时,需要先?⒉牧现械奈?牲层脱去, 留下剩余的加工层,再制作出工件,清洗完毕后即可得到最 终的成品。常用的腐蚀法包括干法与湿法两种类型,其中干 法有激光法、离子法,湿法则包括阳极法与溶液法,最为常 用的技术就是溶液法,该种方式成本低廉、操作简单、加工 范围宽,受到了各个行业的青睐。 2.4 键合技术 硅-硅键合技术的应用已经有多年的历史,目前,上海冶 金研究所已经成功研制出 150°以下的低温键合技术,该种 技术需要先在硅片表面注入氢埋层,将两片硅片键合,再利 用热处理工艺将上层单晶硅剥离,形成表面单晶硅薄层,这 就可以避免减薄、抛光等工艺,制作起来更加便捷。 当然,微型机械的发展也会出现一系列的问题,当机械 尺寸微小化并达到微米层次后,实际上已超出了常用于宏观 机械的传统理论的适用范围,人们将面临着一个前所未有的 科学难题――尺度效应。尺度效应主要包括材料小尺寸效应 和表面效应。其中,材料小尺寸效应是指当构件的几何特征 尺寸缩小到一定范围时,材料的许多特性会发生较大的变化。 要实现微型机械的发展,必须要重点解决该种问题。 3 微型机械的应用 21 世纪的竞争更加激烈,人口、资源与环境已经成为人 类面临的 3 个难题,微型机械技术有着重量轻、体积小、可 靠性高、能耗低、智能化程度高、集成度高的优势,对于解 决资源和环境问题有着积极的作用。虽然微型机械技术与理 论尚未成熟,还处在进一步的发展中,但是已经发展成各类 微型机械,常见的有微机器人、微执行器、微传感器等,这 为微型机械的发展奠定了坚实的基础。由于微型机械系统的 多样性和广泛性,也只有多种技术的结合才能满足微型机械 加工技术进一步发展的需要。但是,除了部分传感器之外, 多数微型机械还处于研发阶段,基本上针对某种具体应用而 开发,性能与规格尚未实现标准化,缺乏通用性。在微细加 工技术的发展下,微型机械也会逐步进入到标准化时代,微 型机械在 21 世纪将会有难以估量的市场发展潜力,有着巨 大的经济效益与社会效益。实践显示,微型机械融合了多学 科、多专业的内容,与传统机械相比而言,微型机械是一次 重要的,虽然其技术与理论还处于发展阶段,但是已经 实现了量产,在微执行器、微传感器、微型机器人的制造上 获得了突出的效果。在技术水平的限制下,除了部分传感器 已经被研制成功,大多数技术还处于研究阶段,性能与规格 也还没有实现标准化生产,笔者深信,在相关技术水平的进 步下,微型机械技术必然可以实现进一步发展,为人类社会 的发展起到更大的推动作用。 4 结语 在人类科技水平的不断发展下,微型机械领域也在不断 地完善,微型机械领域是一门综合性的学科,其内容涵盖到 了化学、物理、生物等各个技术领域,在未来阶段下,还需 要针对其中的核心技术进行深入研究,以期取得更大的突破。 参考文献 [1] 王明强,季蒙,刘志强.基于单因素回归法微切削影 响因数的研究[J].机械工程师,2015(6) :10-13. [2] 郑颖.超精密微机械制造技术研究进展[J].科技风, 2014(13) :241. [3] 于化东.超精密微机械制造技术研究进展[J].长春理 工大学学报:自然科学版,2008(3) :1-8. [4] 楼夏,金星,金玉丰,等.基于粘附剂键合的圆片级 MEMS 塑料封装技术[J].功能材料与器件学报,2008(2) : 293-297. [5] O. Sigmund,J. Petersson.Numerical instabilities in topology optimization: A survey on procedures dealing with checkerboards, mesh-dependencies and local minima[J].Structural Optimization,1998(1) :68-75.

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