微纳制造技术综述.docx

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1、微纳制造技术综述作者：冯美荣，高配彬来源：科技创新与生产力2012年第12期冯美荣1,高配彬2,3(1.太原技术转移促进中心，山西太原030006；2.太原科技大学，山西太原030024；3.山西省冶金设备设计理论与技术重点实验室，山西太原030024)摘要：微纳制造技术是当前被世界各国研究人员重视的热点问题。阐述了微纳制造技术的背景和定义，着重介绍了几种典型的微纳制造技术及其应用情况，指出了我国在该领域的不足和发展方向。关键词：微纳制造；微纳结构；加工技术中图分类号：TH16文献标志码：ADO1：10.3969/j.issn.1674-9146.2012.12.026微纳技术通常指纳米/微米

2、级的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术。微纳制造作为微纳技术中的重要一环，受到各国研究人员的重视，近些年来获得快速发展，为微纳技术在国防军工和民用产品领域应用提供前提1。至此，全球迈入纳米时代，开始从微尺度和纳尺度认识和改造世界。1微纳制造技术背景随着人们对加工精度要求的提高，纳米技术(Nanotechnology)一词便由此延伸出。制造业的发展对加工精度提出了越来越高的要求，传统的加工机床已经不能满足高速发展的民用及军工领域的要求。所以，研究人员便把注意力转移到精度更高的加工方法上。从最初的毫米级到微米级再到纳米级，微纳制造技术应运而生2。以万勇为代表的学者对微纳制造技术领域近10年来

3、SCI和EI文献进行分析，结果显示近年来该领域研究呈现出显著的增长趋势，成为各国关注的焦点，而美国在微纳制造领域内的研究占绝对优势3。微纳制造技术作为极端制造技术的重要组成部分也得到我国的重视，国家中长期科学和技术发展规划纲要中提到，引领未来经济社会发展的前沿技术之中，力争在即将到来的纳米革命中占有一席之地。政策上的鼓励和微纳制造技术的光明前景推动微纳制造成为覆盖多个科学领域较为完整的系统。目前，我国在微纳制造基础理论、微纳尺度加工技术、微封装和微机械方面取得了长足的进步。2微纳制造技术介绍2. 1微纳制造技术定义微纳制造技术是指制造微米、纳米量级的三维结构、器件和系统的技术4。这种技术涉及很

4、多方面，如微纳级精度和表面形貌的测量，微纳级表面机械、物理、化学性能的检测，微纳级精度的加工和微纳级表层的加工原子和分子的去除、搬迁、重组，纳米级微传感器和控制技术，微型机械电子系统，纳米生物学等。2.2典型的微纳结构制造技术微纳结构制造技术是微纳科技走向应用的瓶颈所在，当代微纳结构制造技术大致遵循以下几条技术路线发展：服务于微电子生产的硅微加工技术，包括硅体加工和硅表面加工；非硅超精密特种加工技术；以德国为代表的1.IGA技术及准1.lGA技术；隧道式近场放电加工、生物加工等纳系统制造方法4。下面对几种有代表性的微纳制造技术进行重点介绍。硅微加工技术是从微电子加工技术基础上发展起来的以光刻、

5、薄膜生长、牺牲层、干法刻蚀、湿法化学腐蚀为实现手段的一种微加工技术。世界上第一个微机械器件微静电电机就是用硅加工工艺制造的硅微加工工艺，因为其特别适合于微细化制作及大批量生产，可使用多种材料，不需附加的装配工序即能制作运动机构等优点，是目前微系统制造的主流技术5,见第27页图1。超精密切削加工技术是从传统切削加工延伸出来的一种高效率、三维加工能力强的微纳制造技术，主要包括微细铳削、微细车削、微细磨削、微细钻削等。这些技术与传统的宏观加工类似，能够采用数控方式加工多种材料（有机和无机材料，金属和非金属材料），能把材料加工成任意三维形状的构件（见图2）,并把几何误差控制在一个精确的范围内，有加工速

6、度快、精度高、加工柔性好等优点。限制超精密切削加工微细化的一个最主要的因素是微刀具。目前微钻头的最小直径为2.5Unb微端铳刀直径可以达到30Um以下。近来，日本ME1.已研制成功将各种切削技术整合在一起的便携式微型工厂（见图3）,由微型车床、铳床、冲压机、搬运机械手、双指机械手及电路、控制装置等组成，可以像旅行箱样推着走6。图1微静电电机11八Meura中WBMT为1OOpmMfI1”)HTK百J：1.lGA是德语光刻(1.ithographie)、电铸(Galvanoformung)s塑铸(Abformung)的简称，该技术是德国MEhrfeld教授等人发明的。这种技术类似于常见的铸造工艺

7、，首先利用同步辐射X射线光刻出图形，然后用电铸方法制造出金属模具，再利用模具复制微结构，能加工出结构尺度达到亚亳米级和微米级的高纵横比复杂微机械，且直线度和垂直度很好。图4为北京正负电子对撞机国家实验室利用1.lGA技术得到的深度达500Hnb深宽比达8.3的侧壁陡直的端面摇摆式微型电磁驱动器联轴器PMMA结构7。近年来出现的激光1.lGA技术、紫外线深层光刻技术、硅准1.lGA技术等准1.IGA技术是为克服1.lGA技术必须采用同步辐射X射线、不易加工有曲面的微结构、加工周期长、工艺任杂等缺点而出现的。图5为上海交通大学准1.lGA技术研究室基于硅深槽刻蚀的DEM技术得到的微特征。这种技术以

8、SF6为主要刻蚀气体，加工厚度可达几百微米，侧壁垂直度为(9000.30)m,刻蚀速率大于20mmin8o隧道式近场放电加工属于纳米级微加工，是分子装配技术中的一种。扫描隧道效应显微镜可以精确的观察到加工材料的表面形貌，并可用其探针俘获原子或分子，在材料表面微小的区域中实现对分子或原子重新排列以得到一定的结构。第28页图6为中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。2.3微纳制造技术的应用由于微纳制造技术有体积小、重量轻、集成度高、可靠性高、智能化程度高等优点，在信息科学、生物医疗、航空航天、工程材料等领域广泛的应用。在生物医疗领域，医生

9、可以利用微系统进行视网膜手术、发现并去除癌细胞、修补受损血管等，为人类征服绝症带来了希望。航空航天领域内出现的皮卫星、纳卫星和微型飞行器大大减小了传统飞行器的体积和质量，使其成本低廉，发射方便。纳米材料的出现对人类的衣食住行都会产生不同程度的影响。例如，在纺织和化纤制品中添加纳米微粒，可以除味杀菌；玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖。利用微纳制造技术制造的各种微传感器和微加速器在各行业都有应用。图7为微纳制造技术在汽车工业上的应用。亳无疑问，微纳制造技术未来会在各行各业找到用武之地10。图6纳米中国地图硬制悠油啜埔微机thV冲糠花M怒压力传后2%5SS气流传感/竺吵 / 袅

10、架控r嘘力和输t加速计 传感器惯性？航传JS器伤图国7懒钠技术在汽车r业的应用3微纳技术存在的不足及未来发展方向近几年在政府的鼓励和科研人员的不断努力下，我国在微纳米技术相关领域取得了一些接近或处于世界先进水平的成果。但是这些成果均是追随着外国的踪迹取得的，自主创新较少。我国在航空航天领域、生命科学领域与美国等发达国家还有较大差距。窕其原因，是由于我国工业底子薄，一些适合应用到微纳制造领域的核心技术没有掌握，高精密仪器装备不能自主制造，导致我国微纳制造技术成熟度不高。所以，在今后的研究中，我国要抓住与技术发达国家在大型研究计划合作的机遇，发挥主观能动性，积极参与其中，消化吸收先进技术，提升我国

11、微纳制造技术的整体水平和核心竞争力。其次，不要过于看重短期内的投入与产出，应着重加强微纳制造基础研究领域的工作。参考文献：1向春礼.纳米科技及其发展前景J.世界科学,2001(1):36-39.2彭万波.微纳制造技术的发展现状与发展趋势J.航空精密制造技术,2009(2):75-77.3万勇，马廷灿,潘魏.微纳制造技术文献计量分析J.制造技术与机床,2012(1):28-30.4颜黄苹,黄元平.微/纳制造与微/纳测量技术综述G福建省科协第五届学术年会数字化制造及其他先进制造技术专题学术年会论文集.福建:福建省科学技术协会,2005:39.5.微系统设计与制造加.北京:清华大学出版社,2008.6贾宝贤,王振龙,赵万生.适用于微机械制造的常规加工方法J.新技术新工艺.2003(8)：65-66.7梁静秋,姚劲松.1.IGA技术基础研究J.光学精密工程,2000(8):32-34.8刘晓丽.微机电系统(MEMS)的加工工艺J.黑龙江科技信息,2011(20):44-47.9赵家齐,郭永丰,刘永红,等.用于纳米级加工的特种加工技术J.仪器仪表学报，1995(2):56-57.10何涛,杨竞,范云.先进制造技术M.北京:北京大学出版社,2006.(责任编辑李洋)