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
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分裂、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0.2～1nm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,需要先将材料中的牺牲层脱去,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革命,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,微型机医学期刊征稿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。
作者：邓加 单位：成都七中林荫校区
