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        微型機(jī)械的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用研究

        2017-04-21 01:41:37鄧加
        科技資訊 2016年36期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)勢(shì)應(yīng)用

        鄧加

        摘 要:微型機(jī)械重量輕、體積小、集成度高、可靠性理想,在運(yùn)行過程中不會(huì)受到扭曲、噪聲、熱膨脹等因素的影響,有著顯著的優(yōu)勢(shì)。在人類科技水平的不斷發(fā)展下,微型機(jī)械領(lǐng)域也在不斷地完善,微型機(jī)械領(lǐng)域是一門綜合性的學(xué)科,其內(nèi)容涵蓋到了化學(xué)、物理、生物等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域,在未來階段下,還需要針對(duì)其中的核心技術(shù)進(jìn)行深入研究,以期取得更大的突破。該文主要針對(duì)微型機(jī)械的優(yōu)勢(shì)、類型及其應(yīng)用展開分析。

        關(guān)鍵詞:微型機(jī)械 優(yōu)勢(shì) 應(yīng)用

        中圖分類號(hào):TH6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2016)12(c)-0119-02

        在大規(guī)模集成電力的發(fā)展下,各類機(jī)電設(shè)備也朝著大型化、大功率以及高強(qiáng)度的方向發(fā)展,但是在操作空間因素的影響下,部分設(shè)備的推廣受到了阻礙,在這一背景下,發(fā)展微型機(jī)械產(chǎn)業(yè)非常重要。目前,各個(gè)國家都在致力于微型機(jī)械的研究,取得了空前的成果。

        1 微型機(jī)械的優(yōu)勢(shì)分析

        微型機(jī)械重量輕、體積小,以毫米、微米作為度量單位,必須要借助儀器才能夠了解微型機(jī)械的工作狀態(tài),關(guān)于微型機(jī)械的研究,最早源于20世紀(jì)70年代,到了90年代時(shí)候,微型機(jī)械產(chǎn)業(yè)迎來了迅速發(fā)展時(shí)期,并在各類領(lǐng)域中得到推廣。微型機(jī)械是基于現(xiàn)代科學(xué)基礎(chǔ)上,由全新的思維模式、設(shè)計(jì)理念與制作方法指導(dǎo)得出的產(chǎn)物,無論在結(jié)構(gòu)、尺度、制造方法還是材料上,都屬于一門新興的學(xué)科。與傳統(tǒng)機(jī)械相比,微型機(jī)械重量輕、體積小、集成度高、可靠性理想,其體積可以達(dá)到亞微米以下,尺度精度能夠達(dá)到納米級(jí),機(jī)體不會(huì)受到扭曲、噪聲、熱膨脹等因素的影響,抗干擾性非常理想,能夠在不利的環(huán)境下工作。微型機(jī)械的生產(chǎn)方式應(yīng)用了半導(dǎo)體制造工藝,能夠集齊電路芯片于一體,顯著降低了制造成本。我國在近幾年,通過微齒輪、微泵、微電機(jī)、微馬達(dá)、微型飛機(jī)和微型陀螺等研究,在這一領(lǐng)域取得了突出進(jìn)展。提出和發(fā)展了由于尺度效應(yīng)而產(chǎn)生的微機(jī)械學(xué)。微型機(jī)械技術(shù)已開始在我國的社會(huì)生產(chǎn)中發(fā)揮作用,如,微操作機(jī)器人已開始用于生物工程中的細(xì)胞分裂、顯微手術(shù)和生物芯片的制造工藝;微傳感器已經(jīng)開始用于飛行器的加速度、壓力等參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量;納米薄膜潤滑技術(shù)已應(yīng)用于火箭和計(jì)算機(jī)硬盤的制造工藝。

        2 微型機(jī)械的核心技術(shù)及其應(yīng)用

        微型機(jī)械集齊了微執(zhí)行器、微傳感器、微結(jié)構(gòu)、微系統(tǒng)于一體,加工方式非常多樣,衍生出的技術(shù)類型也非常多,其中代表性的有以下幾種。

        2.1 集成電路技術(shù)

        集成電路技術(shù)近年來得到了迅速發(fā)展,是微型機(jī)械加工中應(yīng)用最為普遍的一種技術(shù),其刻蝕深度以納米計(jì),只要應(yīng)用在硅材料零部件的制作中。集成電路技術(shù)與集成電路的相容性非常好,因此,應(yīng)用范圍也更加廣泛。其中具有代表性的就是集成電路技術(shù)在光顯示器以及速度傳感器中的應(yīng)用。

        2.2 光刻電鑄技術(shù)

        光刻電鑄技術(shù)是由德國首次研發(fā)成功,該種技術(shù)應(yīng)用了犧牲層技術(shù)與X射線光刻技術(shù),能夠在任何材料上形成微結(jié)構(gòu),已經(jīng)成為微型機(jī)械的重要手段,利用光刻電鑄技術(shù)能夠制作出微機(jī)械零件、微馬達(dá)、微光學(xué)元件、微傳感器等產(chǎn)品。準(zhǔn)光刻電鑄技術(shù)是在光刻電鑄技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來,主要由電鑄成型、深層X射線光刻、注塑成型工藝組成,該種技術(shù)需要使用0.2~1 nm的光,刻蝕深度能夠達(dá)到幾百微米,是一種非常具有發(fā)展前景的三維加工技術(shù),適宜應(yīng)用在各種金屬與非金屬材料微型機(jī)械構(gòu)件的制作中。但是,該種技術(shù)使用的輻射X光設(shè)備價(jià)格偏高,因此并未得到推廣。此后,一種新型金屬電鍍技術(shù)出現(xiàn),這不需要同步輻射X光準(zhǔn)光刻電鑄技術(shù),這兩種技術(shù)的共同點(diǎn)是采用電鍍金屬層材料來制作,但是設(shè)備條件要求較低,與集成電路相比,相容性更高,有著更好的實(shí)用性與靈活性。

        2.3 腐蝕成型技術(shù)

        腐蝕成型技術(shù)在微型機(jī)械構(gòu)件的深加工中有著廣泛的應(yīng)用,在應(yīng)用這一技術(shù)時(shí),需要先將材料中的犧牲層脫去,留下剩余的加工層,再制作出工件,清洗完畢后即可得到最終的成品。常用的腐蝕法包括干法與濕法兩種類型,其中干法有激光法、離子法,濕法則包括陽極法與溶液法,最為常用的技術(shù)就是溶液法,該種方式成本低廉、操作簡單、加工范圍寬,受到了各個(gè)行業(yè)的青睞。

        2.4 鍵合技術(shù)

        硅-硅鍵合技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)有多年的歷史,目前,上海冶金研究所已經(jīng)成功研制出150°以下的低溫鍵合技術(shù),該種技術(shù)需要先在硅片表面注入氫埋層,將兩片硅片鍵合,再利用熱處理工藝將上層單晶硅剝離,形成表面單晶硅薄層,這就可以避免減薄、拋光等工藝,制作起來更加便捷。

        當(dāng)然,微型機(jī)械的發(fā)展也會(huì)出現(xiàn)一系列的問題,當(dāng)機(jī)械尺寸微小化并達(dá)到微米層次后,實(shí)際上已超出了常用于宏觀機(jī)械的傳統(tǒng)理論的適用范圍,人們將面臨著一個(gè)前所未有的科學(xué)難題——尺度效應(yīng)。尺度效應(yīng)主要包括材料小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)。其中,材料小尺寸效應(yīng)是指當(dāng)構(gòu)件的幾何特征尺寸縮小到一定范圍時(shí),材料的許多特性會(huì)發(fā)生較大的變化。要實(shí)現(xiàn)微型機(jī)械的發(fā)展,必須要重點(diǎn)解決該種問題。

        3 微型機(jī)械的應(yīng)用

        21世紀(jì)的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈,人口、資源與環(huán)境已經(jīng)成為人類面臨的3個(gè)難題,微型機(jī)械技術(shù)有著重量輕、體積小、可靠性高、能耗低、智能化程度高、集成度高的優(yōu)勢(shì),對(duì)于解決資源和環(huán)境問題有著積極的作用。雖然微型機(jī)械技術(shù)與理論尚未成熟,還處在進(jìn)一步的發(fā)展中,但是已經(jīng)發(fā)展成各類微型機(jī)械,常見的有微機(jī)器人、微執(zhí)行器、微傳感器等,這為微型機(jī)械的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由于微型機(jī)械系統(tǒng)的多樣性和廣泛性,也只有多種技術(shù)的結(jié)合才能滿足微型機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的需要。但是,除了部分傳感器之外,多數(shù)微型機(jī)械還處于研發(fā)階段,基本上針對(duì)某種具體應(yīng)用而開發(fā),性能與規(guī)格尚未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,缺乏通用性。在微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展下,微型機(jī)械也會(huì)逐步進(jìn)入到標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)代,微型機(jī)械在21世紀(jì)將會(huì)有難以估量的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?,有著巨大的?jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。實(shí)踐顯示,微型機(jī)械融合了多學(xué)科、多專業(yè)的內(nèi)容,與傳統(tǒng)機(jī)械相比而言,微型機(jī)械是一次重要的革命,雖然其技術(shù)與理論還處于發(fā)展階段,但是已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn),在微執(zhí)行器、微傳感器、微型機(jī)器人的制造上獲得了突出的效果。在技術(shù)水平的限制下,除了部分傳感器已經(jīng)被研制成功,大多數(shù)技術(shù)還處于研究階段,性能與規(guī)格也還沒有實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),筆者深信,在相關(guān)技術(shù)水平的進(jìn)步下,微型機(jī)械技術(shù)必然可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展,為人類社會(huì)的發(fā)展起到更大的推動(dòng)作用。

        4 結(jié)語

        在人類科技水平的不斷發(fā)展下,微型機(jī)械領(lǐng)域也在不斷地完善,微型機(jī)械領(lǐng)域是一門綜合性的學(xué)科,其內(nèi)容涵蓋到了化學(xué)、物理、生物等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域,在未來階段下,還需要針對(duì)其中的核心技術(shù)進(jìn)行深入研究,以期取得更大的突破。

        參考文獻(xiàn)

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