微细与特种加工技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,微机械产品,主要应用领域,研制国家及单位,采用的主要工艺方法,硅压力传感器,航空航天、医疗器械,美国斯坦福大学、加州弗里蒙特新传感器制造公司、日本横河电机公司等,异向刻蚀工艺及,加硼控制法,微加速度传感器,航空航天、汽车工业,美国斯坦福大学、加州弗里蒙特新传感器制造公司、德国卡尔斯鲁厄核研究中心微结构技术研究所、瑞士纳沙泰尔电子和微型技术公司等,制版术和刻蚀工艺，,LIGA,技术,微型温度传感器,航空航天、汽车工业,美国斯坦福大学、加州弗里蒙特新传感器制造公司等,制版术和刻蚀工艺,螺旋状振动式压力传感器和加速度传感器,航空航天、汽车工业,德国慕尼黑夫琅霍费固体工艺研究所等,制版术和刻蚀工艺,智能传感器,微机器人,德国菲林根施韦宁根微技术研究所,制版术和刻蚀工艺,微型冷却器,航空航天和电子工业,美国斯坦福大学、加州弗里蒙特新传感器制造公司等,制版术和异向刻蚀工艺,微型干涉仪,类似于电子滤波器,美国,IC,传感器制造公司等,制版术和刻蚀工艺,硅材油墨喷嘴,计算机设备,美国斯坦福大学,异向刻蚀工艺,分离同位素的微喷嘴,核工业,德国卡尔斯鲁厄核研究中心微结构技术研究所等,LIGA,技术,微型泵,医疗器械和电子线路,日本东北大学、荷兰特温特大学、德国慕尼黑夫琅霍费固体工艺研究所等,刻蚀工艺和堆装技术,微型阀,医疗器械,德国慕尼黑夫琅霍费固体工艺研究所等,制版术和刻蚀工艺,微型开关（密度,12400,个,/cm,2,）,航空航天和武器工业,美国明尼苏达州大学,制版术和异向刻蚀工艺,微齿轮、微弹簧、微叶片、微轴、孔等,微执行机构,美国加州大学伯克利分校、日本东京大学等,牺牲层技术、制版术和刻蚀工艺、微细电火花加工等,直径,60,m,的静电微电机,计算机和通讯系统的控制,美国加州大学伯克利分校和麻省理工学院,牺牲层技术,典型的微机械产品及采用的微细加工技术,1,微小型机械的常用微细加工方法及性能比较,三维器件的加工制作是实现系统微型化的基础与关键,微机械领域的重要角色不仅仅是微电子部分，更重要的是微机械结构或构件及其与微电子等的集成。这是实现微传感或微制动器件进而实现,MEMS,和微作战系统的关键。,目前可以实现毫米、亚毫米级以下三维器件加工的主要方法有：,光刻制版,高能束刻蚀、加工,LIGA,微细特种加工（电火花加工、电解加工、超声加工、激光加工等）,微细机械加工（车削、铣削、钻削、磨削等）,2,几种常见微细加工方法的性能比较,微细加工方法 最小尺寸 精度 深径,(,高宽,),比 多维加工能力 表面粗糙度 加工材料,LIGA,+,+,金属、聚合物、陶瓷,刻蚀,+,+,金属、半导体,微细激光加工,+,金属、聚合物、陶瓷,微细铣削,+,+,金属、聚合物,金刚石切削,+,+,非铁系金属、聚合物,微细立体印刷,+,聚合物,微细电火花加工,+,金属、半导体、陶瓷,3,微型机械的发展,44,克重微型飞机（,MLB,）,6,英寸微型飞机,6,英寸微型直升机,-3,（,Stanford MLB,）,6,英寸微型直升机,-2,（,Stanford MLB,）,4,带,GPS,的微型直升机,（,Stanford MLB 1995,）,8,英寸微型飞机,5,14,英寸微型飞机,(University of Florida,1998),微型飞机,(Intelligent Automation,MIT),微型飞机,(Intelligent Automation,MIT),微小卫星（法国,Aeroclub-,俄国,Astronautical Fed.,合作）,重量：,3kg,用途：通讯,载波频率：,145812MHz,发送频率：,144MHz,6,集成了,17,个传感器的机器蚂蚁（,MIT,）,IROBOT,公司的,PACKBOT,反恐机器人,微小军用机昆虫,7,微型燃气轮机工作原理,50W,微型涡轮机,美国,Woods Hole,海洋研究所,RESUM,8,微小型系统的实用化离不开微细结构的制造技术,微细结构的制造方法包括硅基微制造和非硅精密微制造技术,常规与大型系统中也有一些零件整体尺寸虽不微小，但局部具有微细结构,微传感器、引信、微喷嘴等迫切需要提高稳定性和量产。,微细结构加工技术是新世纪提升国家能力的关键技术之一，发达国家极为重视。,9,系统的微型化不单是指电子系统的微型化，如果相关的非电子系统小不下来，整个系统将难以达到微型化的目标。,电子系统,可以通过采用,微电子技术,达到系统微型化的目标；而对于,非电子系统,来说，尽管人们已做了很大努力，其微型化程度远远落后于电子系统，这已成为整个系统微型化进一步发展的,“,瓶颈,”,，迫切需要突破。,10,1,）硅基微小型结构与微系统,硅基微小型结构制造技术国外已实现标准化，现已形成了上百条标准工艺线及标准加工工艺。,基于硅基微结构的微传感器国防应用最为广泛，微惯性器件、无线集成微系统及微小型推进系统等。,开发新的加工技术及微加工技术的模拟与仿真。,PRISMA,中拟采用的微推进器,“,智能尘埃”示意图及样品照片,国内外相关技术研究现状,11,日本于,1996,年开发了世界上第一台微型车床。,2000,年又制作了便携式微型工厂。金沢大学米山猛等人研制了一台微型车削系统样机。,德国阿亨工业大学、卡尔斯鲁大学开展了对淬火钢和硬铝材料的微型器件的铣销工艺技术的系统研究。,FANUC,公司开发出了气体静压式的,1,分辨率的五轴联动微小型超精密加工中心，其进给方向直线度为,0.3,/200,。,2,）精密超精密制造技术,12,3,）微细特种加工技术,日本东京大学发明的线电极电火花磨削技术。,比利时鲁文大学运用微细电火花加工方法开展了大量微型机械传感器件、执行器件的加工研究。,美国斯坦福大学利用硅蚀刻技术获得硅模具，并采用电铸法反求微细电极获得了具有复杂形状的微细铜电极和银钨电极。,德国,MPG,采用纳秒级超短脉宽脉冲电流技术，从而实现了数十微米尺度的的金属三维复杂型腔的微细加工。,13,4,）微塑性成形技术,微塑性成形是一种低成本、批量生产微型器件的成形技术。日本,Gunma,大学设计和制造了具有一定实用意义的成形装置。研究了非晶合金的微挤压成形技术。,德国的纽伦堡大学和不来梅大学系统地研究了铝、黄铜和不锈钢的微小结构的成形问题。,微成形的产品主要有微齿轮、微连接器、接触针、微型螺杆、接触弹簧、微阀、微泵等。,14,5,）微铸造技术,微精密铸造技术是将传统铸造的低成本、大批量快速制造技术的优点和前沿的微机械科技完美结合的一个范例。,2004,年，德国卡斯鲁研究所发表了该研究所发明的微熔模精密铸造工艺以及相关的研究成果，应用微熔模铸造工艺制备了微叶轮和微喷嘴，整个构件的尺寸或精细部位的尺寸都处在微米量级。,美国麻省理工学院刚刚开展微小构件的铸造成形研究，其所铸出的微小构件最小尺寸为,400-600m,15,6,）微检测技术,面向微细加工领域的三维快速超精密测量已经成为现代测试技术和仪器研究中的重要课题,1981,年美国,IBM,公司发明的扫描隧道显微镜，该技术具有较高的三维分辨力，分别可达到,10nm,和,2nm,。,白光干涉仪是近年在,MEMS,技术领域中重要的三维测量技术，美国,Veeco,和英国的,Taylor Hobson,公司相继推出产品，其轴向测量分辨力已达到,0.1nm,。,激光扫描共焦显微镜是八十年代迅速发展起来一种非接触三维形貌测量技术，由于具有非接触、高精度和高测量速度等显著技术优势,16,7,）微小型结构与系统的数字化集成与仿真技术,数字化仿真技术是融合建模,/,仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术。,数字化仿真技术全面突出了仿真的重要性，为寻求系统的全局最优解提供了可行的技术途径,微结构与微系统设计与仿真工具的研究开发。微系统商业化设计与仿真软件,IntelliSuite,、,Coventerware,等。,许多有限元分析软件也逐步进入微系统设计工具领域，如,ANSYS,、,Fluent,、,ANSOFT,等提供了部分设计功能,17,8,）微装配集成技术,日本东京大学先进科学技术研究所研制的微操作系统进行了微型涡轮和微型六和塔的装配,德国,Karlsruhe,大学研制的,Miniman-III,型微动机器人，可在扫描电子显微镜下完成,10nm,以下的高精度微操作，可以对微小物体进行高精度夹持、搬运、操作和定位，完成了微型齿轮的装配。,美国,Sandia,实验室建立了用于微型,LIGA,零件装配的实验系统，完成了采用,LIGA,技术加工的微型齿轮的抓取和释放操作,瑞士联邦工学院研制的纳米机器人，采用两种遥,操作方式，把,100,m,的金刚石晶体排成“,ETH”,三个字母。,18,总结：,目前国内外对微细结构的加工工艺、制造装备、测试手段、组装集成技术等进行了大量的研究工作，并逐步进入工程实用化阶段。,建立针对微细结构制造的研发基地，对各相对独立的方法进行有机集成，构成较为完善的、可以满足不同材料和结构加工的、并具有批生产能力的制造系统的条件已基本成熟。,19,哈工大微细加工基地建设情况简介,哈尔滨工业大学于,2002,年整合全校有关的,机械、材料、微电子、测量、化学、物理等相关学科资源成立了微纳米技术研究中心,，并得到,985,工程的重点建设。该中心集成了机械制造、机械电子、材料与材料加工、仪器与测量、微电子等相关学科的设备和人才的优势（上述学科均为国家重点学科），是全校微纳米技术研究的公共平台。,20,