技術(shù)

一、引言
　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)切削加工提出了越來(lái)越高的要求，一是要滿(mǎn)足越來(lái)越高的加工效率、加工精度和表面質(zhì)量；其次是要求經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)性(即綠色生產(chǎn)要求)。 為了滿(mǎn)足這些要求，研究人員已做了大量的研究工作，開(kāi)發(fā)出了多種先進(jìn)切削加工技術(shù)，如高速切削、干切削、硬切削等。

 　　微機(jī)電系統(tǒng)最早是上世紀(jì)60年代對(duì)集成電路(IC)制造與材料研究而衍生出來(lái)的一門(mén)新領(lǐng)域，因此開(kāi)始發(fā)展時(shí)使用的制造技術(shù)必須遵循集成電路的制造要求，所采用的材料也必須符合集成電路的制造標(biāo)準(zhǔn)，如采用多晶硅、單晶硅、氧化硅和二氧化硅等硅基材料，或是使用鋁、銅等金屬。但隨著微機(jī)電系統(tǒng)和微機(jī)械的多樣化發(fā)展，傳統(tǒng)上符合集成電路制造要求的材料有其局限性，對(duì)于擁有不同機(jī)械性能與電子特性微元件的需求也顯得越來(lái)越迫切。微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成為全球增長(zhǎng)最快的工業(yè)之一，需要制造極小的高精密零件的工業(yè)，例如生物、醫(yī)療裝備、光學(xué)以及微電子 ( 包括移動(dòng)通信和電腦組件 ) 等都有大量的需求。然而，并非每種應(yīng)用在微機(jī)電系統(tǒng)或微機(jī)械上的微元件都能利用集成電路技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)，因此新的材料和新的微制造技術(shù)以及微切削技術(shù)陸續(xù)被研究發(fā)展出來(lái)。 

    二、尺度劃分 

　　對(duì)于尺度的劃分，不同的研究機(jī)構(gòu)、不同研究領(lǐng)域的研究人員有不同的見(jiàn)解。材料學(xué)專(zhuān)家認(rèn)為：10-12m～10-9m 之間的尺度屬于量子力學(xué)研究范疇；1 -9m～10-6m之間的尺度屬于納觀(guān)力學(xué)研究范疇；10-6m～10-3m之間的尺度屬于介觀(guān)力學(xué)研究范疇；1-3m～10-0m之間的尺度屬于微觀(guān)力學(xué)研究范疇；大于10-0m的尺度屬于宏觀(guān)力學(xué)研究范疇。而機(jī)械加工學(xué)科常常以10-6m(1μm)為加工誤差尺度，傳統(tǒng)切削加工的誤差尺度多以絲來(lái)衡量(1絲=10μm)，精密加工的誤差尺度可達(dá)到微米級(jí)。由此可見(jiàn)：材料學(xué)以研究對(duì)象的特征長(zhǎng)度作為尺度劃分的依據(jù)，機(jī)械加工領(lǐng)域以研究對(duì)象的加工精度作為尺度的劃分依據(jù)，從而把機(jī)械加工劃分普通加工、精密加工和超精密加工等，并沒(méi)有涉及到工件加工特征尺度的大小。

　　如圖1所示，精密加工根據(jù)工件加工特征的尺度可分為宏尺度加工、中尺度加工和微尺度加工。通常的機(jī)械加工大多是指宏尺度加工，零件的技術(shù)性能要求反映在宏觀(guān)尺度或表層結(jié)構(gòu)上，加工特征的尺寸相對(duì)較大，加工的范疇較廣；微尺度加工是指微納米加工，主要用精密和超精密加工技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)和納米加工技術(shù)來(lái)加工，強(qiáng)調(diào)了 “ 極薄切削 ” 和微觀(guān)結(jié)構(gòu)，加工特征的尺寸相對(duì)來(lái)說(shuō)較小，在微米、亞微米和納米級(jí)，研究的重點(diǎn)是物質(zhì)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)；介于兩者之間的稱(chēng)之為中尺度加工或中尺寸加工。 

 　　目前有一些機(jī)電產(chǎn)品既不像納米技術(shù)中微型機(jī)電系統(tǒng) ( 微型機(jī)械 ) 那樣小，又不像普通機(jī)電產(chǎn)品那樣大，為便于區(qū)分，可稱(chēng)之為“微小機(jī)械”。微小機(jī)械的加工特征跨越了多個(gè)不同尺度等級(jí)(見(jiàn)圖2)，既包含10-3m～10-0m之間的微觀(guān)尺度，又包含10-6m～10-3m之間的介觀(guān)尺度，還包含10-9m～10-6m之間的納觀(guān)尺度。這里應(yīng)該指出的是，目前大部分微細(xì)制造技術(shù)所能達(dá)到的加工精度還在亞微米至微米范圍，相距通常所說(shuō)的納米尺度(10-10m～10-7m) 還有較大差距。

　　微小機(jī)械無(wú)論在國(guó)防、航空、航天和民用中都有較大市場(chǎng)，例如微小人造衛(wèi)星、飛機(jī)、機(jī)床、汽輪發(fā)電機(jī)組、車(chē)輛、槍械等。從產(chǎn)品發(fā)展來(lái)看，小型化是其方向之一，如照相機(jī)、攝像機(jī)、投影儀、手機(jī)等都越做越小，而功能卻不斷提高和完善。因此，微小機(jī)械加工理論和技術(shù)的研究有著廣闊的應(yīng)用前景。 

     三、微制造技術(shù)

    目前常用于微機(jī)電系統(tǒng)方面的微制造技術(shù) (Micromanufacturing) 可分為對(duì)硅基材料以及非硅基材料的微加工，基本上又可分為四類(lèi)：

    1）刻蝕技術(shù) 

　　該技術(shù)利用干刻蝕法、濕刻蝕法或光刻蝕法對(duì)被加工材料進(jìn)行等向或非等向刻蝕去除加工，通?？蓪?duì)被加工材料進(jìn)行體形微加工(bulk micromachining)或表面微加工(surface micromachining)。刻蝕技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是加工精度高，且有大批量生產(chǎn)能力，可與IC制造相容，技術(shù)已較成熟；缺點(diǎn)是被加工材料固定、加工速度慢、刻蝕劑危險(xiǎn)性高、所用設(shè)備資金投入大，且對(duì)加工環(huán)境要求高等。

    2）薄膜技術(shù)

 　　該技術(shù)主要用薄膜成長(zhǎng)技術(shù)和刻蝕技術(shù)加工所需的微結(jié)構(gòu)，一般可用于2D表面微加工，主要應(yīng)用在VLSI方面的微元件制造。薄膜技術(shù)除了技術(shù)已較成熟、極佳的IC相容性，不需要特別的組裝技術(shù)就可以大量生產(chǎn)微元件外，其缺點(diǎn)與刻蝕技術(shù)相同。

    3）LIGA 技術(shù)

    該技術(shù)結(jié)合了X-Ray深刻技術(shù)(Deep X-Ray lithography)、微電鑄翻模(Micro electroforming)及微成形(Micro molding)等技術(shù)，LIGA微加工制造技術(shù)除具有精度高、表面粗糙度好、IC電路相容性佳、可批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)外， LIGA技術(shù)比IC制造技術(shù)能加工更為多種的材料以及具有更佳的高深寬比3D微結(jié)構(gòu)制造能力。然而，LIGA技術(shù)最大的缺點(diǎn)是制造所需的同步輻射X光費(fèi)用極為昂貴，此外X光光罩的制作成本與時(shí)間的耗費(fèi)也很高，因此在亞微米 (submicron)尺度的微結(jié)構(gòu)中已有利用價(jià)格較為便宜的類(lèi)LIGA技術(shù)來(lái)取代X光的刻蝕，例如利用替代性光源的紫外光微影、準(zhǔn)分子激光加工以及反應(yīng)式離子刻蝕(reactive ion etching，RIE)等技術(shù)，這些替代性技術(shù)的加工精度雖然沒(méi)有LIGA技術(shù)高，但光源設(shè)備小、價(jià)格亦較為便宜。