微型機械的優勢與應用研究

鄧加

摘 要：微型機械重量輕、體積小、集成度高、可靠性理想，在運行過程中不會受到扭曲、噪聲、熱膨脹等因素的影響，有著顯著的優勢。在人類科技水平的不斷發展下，微型機械領域也在不斷地完善，微型機械領域是一門綜合性的學科，其內容涵蓋到了化學、物理、生物等各個技術領域，在未來階段下，還需要針對其中的核心技術進行深入研究，以期取得更大的突破。該文主要針對微型機械的優勢、類型及其應用展開分析。

關鍵詞：微型機械 優勢 應用

中圖分類號：TH6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（c）-0119-02

在大規模集成電力的發展下，各類機電設備也朝著大型化、大功率以及高強度的方向發展，但是在操作空間因素的影響下，部分設備的推廣受到了阻礙，在這一背景下，發展微型機械產業非常重要。目前，各個國家都在致力于微型機械的研究，取得了空前的成果。

1 微型機械的優勢分析

微型機械重量輕、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械的工作狀態，關于微型機械的研究，最早源于20世紀70年代，到了90年代時候，微型機械產業迎來了迅速發展時期，并在各類領域中得到推廣。微型機械是基于現代科學基礎上，由全新的思維模式、設計理念與制作方法指導得出的產物，無論在結構、尺度、制造方法還是材料上，都屬于一門新興的學科。與傳統機械相比，微型機械重量輕、體積小、集成度高、可靠性理想，其體積可以達到亞微米以下，尺度精度能夠達到納米級，機體不會受到扭曲、噪聲、熱膨脹等因素的影響，抗干擾性非常理想，能夠在不利的環境下工作。微型機械的生產方式應用了半導體制造工藝，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、微馬達、微型飛機和微型陀螺等研究，在這一領域取得了突出進展。提出和發展了由于尺度效應而產生的微機械學。微型機械技術已開始在我國的社會生產中發揮作用，如，微操作機器人已開始用于生物工程中的細胞分裂、顯微手術和生物芯片的制造工藝；微傳感器已經開始用于飛行器的加速度、壓力等參數的實時測量；納米薄膜潤滑技術已應用于火箭和計算機硬盤的制造工藝。

2 微型機械的核心技術及其應用

微型機械集齊了微執行器、微傳感器、微結構、微系統于一體，加工方式非常多樣，衍生出的技術類型也非常多，其中代表性的有以下幾種。

2.1 集成電路技術

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

2.2 光刻電鑄技術

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

2.3 腐蝕成型技術

腐蝕成型技術在微型機械構件的深加工中有著廣泛的應用，在應用這一技術時，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，受到了各個行業的青睞。

2.4 鍵合技術

硅-硅鍵合技術的應用已經有多年的歷史，目前，上海冶金研究所已經成功研制出150°以下的低溫鍵合技術，該種技術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。

當然，微型機械的發展也會出現一系列的問題，當機械尺寸微小化并達到微米層次后，實際上已超出了常用于宏觀機械的傳統理論的適用范圍，人們將面臨著一個前所未有的科學難題——尺度效應。尺度效應主要包括材料小尺寸效應和表面效應。其中，材料小尺寸效應是指當構件的幾何特征尺寸縮小到一定范圍時，材料的許多特性會發生較大的變化。要實現微型機械的發展，必須要重點解決該種問題。

3 微型機械的應用

21世紀的競爭更加激烈，人口、資源與環境已經成為人類面臨的3個難題，微型機械技術有著重量輕、體積小、可靠性高、能耗低、智能化程度高、集成度高的優勢，對于解決資源和環境問題有著積極的作用。雖然微型機械技術與理論尚未成熟，還處在進一步的發展中，但是已經發展成各類微型機械，常見的有微機器人、微執行器、微傳感器等，這為微型機械的發展奠定了堅實的基礎。由于微型機械系統的多樣性和廣泛性，也只有多種技術的結合才能滿足微型機械加工技術進一步發展的需要。但是，除了部分傳感器之外，多數微型機械還處于研發階段，基本上針對某種具體應用而開發，性能與規格尚未實現標準化，缺乏通用性。在微細加工技術的發展下，微型機械也會逐步進入到標準化時代，微型機械在21世紀將會有難以估量的市場發展潛力，有著巨大的經濟效益與社會效益。實踐顯示，微型機械融合了多學科、多專業的內容，與傳統機械相比而言，微型機械是一次重要的革命，雖然其技術與理論還處于發展階段，但是已經實現了量產，在微執行器、微傳感器、微型機器人的制造上獲得了突出的效果。在技術水平的限制下，除了部分傳感器已經被研制成功，大多數技術還處于研究階段，性能與規格也還沒有實現標準化生產，筆者深信，在相關技術水平的進步下，微型機械技術必然可以實現進一步發展，為人類社會的發展起到更大的推動作用。

4 結語

在人類科技水平的不斷發展下，微型機械領域也在不斷地完善，微型機械領域是一門綜合性的學科，其內容涵蓋到了化學、物理、生物等各個技術領域，在未來階段下，還需要針對其中的核心技術進行深入研究，以期取得更大的突破。

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