微機(jī)械與微細(xì)加工技術(shù)圖書目錄

緒論

第一章 微機(jī)械理論基礎(chǔ)

1.1 微機(jī)械學(xué)

1.2 微動力學(xué)

1.3 微電子學(xué)

1.4 微光學(xué)

1.5 微流體力學(xué)

1.6 微熱力學(xué)

1.7 微摩擦學(xué)

1.8 納米生物學(xué)

1.9 分子裝配技術(shù)

第二章 微機(jī)械材料與微結(jié)構(gòu)

2.1 引言

2.2 微機(jī)械材料

2.2.1 硅材料

2.2.2 形狀記憶材料

2.2.3 壓電陶瓷/電致伸縮材料

2.2.4 超磁致伸縮材料

2.2.5 電流變體

2.2.6 磁流變體

2.2.7 有機(jī)聚合物材料

2.3 微結(jié)構(gòu)與微型智能結(jié)構(gòu)

2.3.1 主動控制結(jié)構(gòu)類

2.3.2 被動阻尼結(jié)構(gòu)類

第三章 微細(xì)加工技術(shù)

3.1 引言

3.2 硅微細(xì)加工技術(shù)

3.2.1 薄膜制備技術(shù)

3.2.2 微機(jī)械器件薄膜制備技術(shù)

3.3 光刻技術(shù)

3.3.1 光刻掩模制作工藝

3.3.2 曝光技術(shù)

3.3.3 刻蝕技術(shù)

3.3.4 表面薄膜的化學(xué)刻蝕加工

3.4 犧牲層技術(shù)

3.5 外延技術(shù)

3.6 高能束刻蝕技術(shù)

3.6.1 離子束刻蝕

3.6.2 等離子體刻蝕

3.6.3 激光刻蝕

3.7 LIGA技術(shù)

3.8 微細(xì)立體光刻技術(shù)

3.9 精密放電加工技術(shù)與超精密機(jī)械加工技術(shù)

3.10 微機(jī)械裝配與集成

3.10.1 堆裝技術(shù)

3.10.2 封裝技術(shù)

3.10.3 集成制造技術(shù)

第四章 準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工技術(shù)

4.1 引言

4.2 準(zhǔn)分子激光器及其工作原理

4.2.1 準(zhǔn)分子與準(zhǔn)分子激光器

4.2.2 準(zhǔn)分子激光器的泵浦方式

4.3 直寫微細(xì)加工的準(zhǔn)分子激光光束特性

4.3.1 直寫微細(xì)加工

4.3.2 光束特性

4.4 準(zhǔn)分子激光直寫微細(xì)加工

4.4.1 聚焦準(zhǔn)分子激光直接刻蝕硅材料

4.4.2 準(zhǔn)分子激光輔助刻蝕硅材料

4.4.3 準(zhǔn)分子激光直寫微細(xì)加工

4.5 準(zhǔn)分子激光直寫微細(xì)加工系統(tǒng)

4.5.1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

4.5.2 加工控制與監(jiān)測

4.5.3 加工光斑

4.5.4 掃描運(yùn)動

4.5.5 聲光調(diào)制器

4.5.6 直寫微細(xì)加工及其CAD/CAM

4.5.7 系統(tǒng)的加工精度分析

4.6 準(zhǔn)分子激光直寫刻蝕基本規(guī)律

4.6.1 微加工材料表面的顯微形貌

4.6.2 準(zhǔn)分子激光對于硅材料的直接刻蝕規(guī)律

4.6.3 單脈沖刻蝕情況.

4.6.4 熱量與熱影響區(qū)

4.6.5 刻蝕深度的變化規(guī)律

4.6.6 由沖擊破壞現(xiàn)象引起的受力情況分析

4.7 光束質(zhì)量的改善措施

第五章 微檢測技術(shù)

5.1 引言

5.2 現(xiàn)代微觀檢測方法與設(shè)備

5.2.1 掃描探針顯微鏡

5.2.2 干涉與測量

5.3 微機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何尺寸測量

5.3.1 測量方法的分析與選擇

5.3.2 基于光切法的微結(jié)構(gòu)尺寸測量

5.3.3 基于光切法的圖像測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.3.4 微結(jié)構(gòu)件幾何尺寸測量示例

5.4 物理量測量

5.4.1 彈性模量測量

5.4.2 殘余應(yīng)力測量

5.4.3 測量與結(jié)果

第六章 微傳感器

6.1 引言

6.2 電量檢測傳感器

6.2.1 壓電式傳感器

6.2.2 電容式傳感器

6.2.3 壓阻式傳感器

6.3 機(jī)械量微傳感器

6.3.1 結(jié)構(gòu)彈性變形微傳感器

6.3.2 機(jī)械振動結(jié)構(gòu)徽傳感器

6.3.3 振動體激勵微傳感器

6.3.4 諧振集成微傳感器

……

第七章 微致動器及其它微器件

第八章 典型微型電子機(jī)械系統(tǒng)與微機(jī)器人

苑偉政，男，1961年生，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師?，F(xiàn)任西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代制造工程研究所所長兼微機(jī)械與微細(xì)加工技術(shù)研究室主任，機(jī)械制造學(xué)科跨世紀(jì)學(xué)科帶頭人。

主要從事微機(jī)械與微細(xì)加工技術(shù)、CAM與CIMS、難加工材料切削加工與精密加工技術(shù)等方面的研究工作。近年來主持承擔(dān)了包括國家自然科學(xué)基金在內(nèi)的24項(xiàng)研究課題，獲省部級科技進(jìn)步獎5項(xiàng)，發(fā)表研究論文40余篇，其中10余篇被工程索引（EI）收入。

馬炳和，男，1972年生，河北省辛集市人，博士，西北工業(yè)大學(xué)講師。主要研究方向?yàn)槲㈦娮訖C(jī)械系統(tǒng)（MEMS）、微細(xì)加工技術(shù)、精密測試技術(shù)等。

《微機(jī)械與微細(xì)加工技術(shù)》是由西北工業(yè)大學(xué)出版社出版的

隨著微技術(shù)（Microtechnology）的不斷發(fā)展，以形狀尺寸微小、操作尺度極小為特征的微機(jī)械已成為人們從微觀角度認(rèn)識和改造客觀世界的一種高新技術(shù)。微機(jī)械在國防、醫(yī)療、儀器檢測、材料等領(lǐng)域，尤其是活動空間狹小、操作精度要求高、功能需要高度集成的航空航天等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。微機(jī)械不僅涉及微電子學(xué)、微機(jī)械學(xué)、微光學(xué)、微動力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)等廣泛的學(xué)科領(lǐng)域，而且涉及從材料、設(shè)計(jì)、制造、控制、能源直到檢測、集成、封裝等一系列的技術(shù)環(huán)節(jié)。微機(jī)械技術(shù)的發(fā)展以上述學(xué)科和技術(shù)為基礎(chǔ)，反過來也將帶動相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展。此外，微機(jī)械技術(shù)還有望成為研究納米技術(shù)的重要手段。因此，微機(jī)械被列為本世紀(jì)末10大關(guān)鍵技術(shù)之首，并受到各工業(yè)發(fā)達(dá)國家的高度重視。如：歐洲的尤里卡計(jì)劃明確提出將微機(jī)械作為一個重要的研究內(nèi)容，并在法、德兩國組織實(shí)施；美國國會也把微機(jī)械的研究作為21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的學(xué)科之一；日本通產(chǎn)省已于1991年啟動一項(xiàng)為期10年的微機(jī)械研究計(jì)劃。在我國，微機(jī)械與微細(xì)加工技術(shù)的研究也得到了許多部門的重視，國防科工委已提出將微型慣性測量組合MIMU（Micro Inertia Mea-surement Unit）等作為微機(jī)械的發(fā)展重點(diǎn)；國家科委、國家自然科學(xué)基金委員會也都將微機(jī)械與微細(xì)加工技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

微機(jī)械作為一門學(xué)科出現(xiàn)，總共不過幾年時(shí)間，國內(nèi)外有關(guān)研究也還不成熟。

第1章 微型機(jī)械與微細(xì)加工概論/1

1.1 微機(jī)械及其特點(diǎn)/1

1.2 微細(xì)加工技術(shù)的概念及其特點(diǎn)/4

1.3 微細(xì)加工技術(shù)的分類/6

1.4 微細(xì)加工技術(shù)的應(yīng)用/9

1.5 發(fā)展微細(xì)加工技術(shù)的意義/15

參考文獻(xiàn)/17

第2章 微機(jī)械與微細(xì)加工理論基礎(chǔ)/18

2.1 微機(jī)械學(xué)/18

2.2 微電子學(xué)/33

2.3 微光學(xué)/37

2.4 分子裝配技術(shù)/39

2.5 微細(xì)加工機(jī)理/41

參考文獻(xiàn)/4l

第3章 微細(xì)切削加工技術(shù)/44

3.1 微切削加工機(jī)理與物理特性/44

3.2 微細(xì)車削加工技術(shù)/50

3.3 微細(xì)銑削加工技術(shù)/58

3.4 微細(xì)鉆削加工技術(shù)/65

3.5 微細(xì)沖壓加工/69

3.6 微細(xì)磨料噴射加工/7l

3.7 微細(xì)切削加工工作環(huán)境/74

參考文獻(xiàn)/75

第4章 微細(xì)電加工技術(shù)/77

4.1 微細(xì)電加工技術(shù)概述/77

4.2 微細(xì)電火花加工的特點(diǎn)與實(shí)現(xiàn)條件/79

4.3 微細(xì)電極的在線制作與檢測/83

4.4 微細(xì)電火花加工中的脈沖電源與控制系統(tǒng)/90

4.5 微細(xì)電火花加工裝備/95

4.6 微細(xì)電火花銑削加工技術(shù)/100

4.7 微細(xì)電火花線切割加工技術(shù)/108

4.8 微細(xì)電化學(xué)加工技術(shù)/111

參考文獻(xiàn)/117

第5章 高能束流微細(xì)特種加工技術(shù)/118

5.1 電子束微細(xì)加工技術(shù)/118

5.2 離子束微細(xì)加工技術(shù)/126

5.3 激光微細(xì)加工技術(shù)/136

參考文獻(xiàn)/150

第6章 半導(dǎo)體材料的微細(xì)加工技術(shù)/152

6.1 集成電路的工藝基礎(chǔ)一一平面硅工藝/152

6.2 薄膜成形技術(shù)/154

6.3 摻雜技術(shù)/159

6.4 光刻技術(shù)/161

6.5 硅的體微加工技術(shù)/163

6.6 硅的表面微加工技術(shù)/171

6.7 鍵合技術(shù)/173

6.8

電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽極溶解的原理對材料進(jìn)行腐蝕成形的加工方法 。從加工機(jī)理上看 , 工件陽極上的金屬原子在加工中不斷地失去電子成為離子而從工件上溶解 , 其材料的減少過程以離子的形式進(jìn)行 , 這種微離子去除方式使電解加工具有微細(xì)加工能力 。又因?yàn)殡娊饧庸み^程中工具電極和工件不接觸 ,具有加工材料范圍廣泛 ,不受材料強(qiáng)度 、硬度 、韌性的影響 ,工件表面無加工應(yīng)力 、無變形以及熱影響區(qū) 、無工具電極損耗 、加工表面質(zhì)量好等一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn), 微細(xì)電解加工技術(shù)是當(dāng)前電化學(xué)加工領(lǐng)域中最活躍也是最熱點(diǎn)的研究方向。近幾年來 ,微細(xì)電解加工技術(shù)延續(xù)了 20 世紀(jì) 90 年代以來的良好發(fā)展勢頭 , 工藝技術(shù)水平和設(shè)備性能均得到了穩(wěn)步發(fā)展 , 應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)展 。下面簡要對幾種典型微細(xì)電解加工技術(shù)進(jìn)行介紹和討論 。

掩膜微細(xì)電解加工

掩膜微細(xì)電解加工是結(jié)合了掩膜光刻技術(shù)的電解加工方法 。它是在工件的表面( 單面或雙面) 涂敷一層光刻膠 ,經(jīng)過光刻顯影后 ,工件上形成具有一定圖案的裸露表面 , 然后通過束流電解加工或浸液電解加工 ,選擇性地溶解未被光刻膠保護(hù)的裸露部分 ,最終加工出所需形狀工件。由于金屬溶解是各向同性的 ,金屬在徑向溶解的同時(shí)也橫向被溶解 , 因此研究如何控制溶解形狀 、盡量減少橫向溶解等對保證掩膜微細(xì)電解的加工精度非常重要。為了提高加工速度和加工精度, 可在工件兩面都覆蓋一層圖案完全相同的掩膜 , 從兩邊相向同時(shí)進(jìn)行溶解 。

電液流微細(xì)電解加工

電液流微細(xì)加工是在金屬管電極加工小孔的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種微細(xì)電解加工方法, 主要用于加工航空工業(yè)中的各種小孔結(jié)構(gòu)。電液流加工時(shí),采用呈收斂形狀的絕緣玻璃管噴嘴抑制電化學(xué)反應(yīng)的雜散腐蝕 ,高壓電解液由玻璃管中的高壓金屬絲極化后,高速射向工件待加工部位 ,利用高電壓電場進(jìn)行金屬的電化學(xué)去除加工。玻璃管電極是電射流加工的主要工具。玻璃管的直徑大小決定了電射流加工的尺度, 通常加工孔徑為 0 . 13 ～ 1 . 30 mm 。據(jù)國外報(bào)道, 可加工最小孔徑為 0 . 025 mm , 加 工 精 度 為 孔 徑 的 ±5 %或 ±0 . 025 mm。電射流加工技術(shù)非常適合加工航空發(fā)動機(jī)高溫渦輪葉片的深小孔 、孔軸線與表面夾角很小的斜孔和群孔等。電液流加工方法不存在切削力 ,因此可對薄壁零件進(jìn)行切割。由于玻璃管陰極的制造工藝限制了陰極直徑尺寸不可能任意縮小,從而大大限制了電液束加工的能力。采用陰極不進(jìn)給的方式,加工孔徑不受電極直徑尺寸的限制, 故可加工出直徑小于 0 . 1 mm 的微孔, 但加工深度很有限 。而采用陰極進(jìn)給方式 ,加工孔徑至少要大于陰極管的外徑。目前的研究水平表明, 對于直徑為 0 . 2mm以上的微孔,采用陰極進(jìn)給方式加工 , 可加工出深徑比為 100∶ 1 的深小孔 。

EFAB 技術(shù)

EFAB( Electrochemical Fabrication)制作技術(shù)是由美國南加州大學(xué)信息研究所的 Adam Coben 等人于1999 年提出的。它是基于 SFF( Solid Freeform Fabrication) 的分層制造原理 , 用一系列實(shí)時(shí)的掩模板選擇性電沉積金屬將微結(jié)構(gòu)層層堆積起來 , 這些實(shí)時(shí)的掩模板是通過將光刻膠涂于金屬襯底上 ,經(jīng)光刻顯影后形成的 。在電沉積時(shí) ,掩模板的襯底作為電鑄陽極, 這與 LIGA 和準(zhǔn) LIGA 技術(shù)中的掩模電鑄是完全不同的[ 12] 。利用 EFAB 制作三維金屬微結(jié)構(gòu)需循環(huán)進(jìn)行選擇性電沉積、平鋪電沉積和平坦化 3個步驟以及最后的選擇性刻蝕, 選擇性電沉積和平鋪電沉積的金屬, 既可是結(jié)構(gòu)金屬也可是犧牲層金屬 ,它克服了 LIGA 和準(zhǔn) LIGA 只能加工簡單平面三維的缺點(diǎn),能加工真正的三維圖形,因而具有很好發(fā)展前景。但 EFAB 也存在著加工過程非常復(fù)雜、步驟繁多的問題,這使制造費(fèi)用極其昂貴。

約束刻蝕劑層技術(shù)

約束刻蝕劑層技術(shù)( Confined Etchant Layer Technique, 簡稱 CELT) 是 1992 年由廈門大學(xué)的田昭武院士等人提出的。該技術(shù)將傳統(tǒng)的各向同性的濕法化學(xué)刻蝕變?yōu)榫哂芯嚯x敏感性的化學(xué)刻蝕 , 能在不同的材料( 半導(dǎo)體、金屬和絕緣材料) 上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維微圖形的復(fù)制加工 ,已成功地在 Si 、Cu 、GaAs 等材料上加工出復(fù)雜三維立體結(jié)構(gòu)。其加工的基本原理是 : 利用電化學(xué)或光化學(xué)反應(yīng)在三維圖形的模板表面產(chǎn)生刻蝕劑,當(dāng)刻蝕劑向溶液中擴(kuò)散時(shí) ,與溶液中的捕捉劑迅速發(fā)生反應(yīng) , 致使刻蝕劑幾乎無法從模板表面往溶液深處擴(kuò)散 , 從而把刻蝕劑緊緊地約束在模板表面輪廓附近的很小區(qū)域內(nèi)。當(dāng)模板逐步靠近待加工材料的表面時(shí) , 被約束的刻蝕劑就能和待加工基底的表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng) , 從而加工出與模板互補(bǔ)的三維微圖形 。

脈沖微細(xì)電解加工技術(shù)

雖然電解加工利用電化學(xué)溶解蝕除的方式加工 ,理論上可達(dá)到離子級的加工精度 ,在加工質(zhì)量上又具有很多優(yōu)點(diǎn) ,但加工中在陽極工件表面不管是加工區(qū)還是非加工區(qū)只要有電流通過 , 都會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng) ,造成雜散腐蝕 。因此 ,將其應(yīng)用于微細(xì)加工領(lǐng)域 ,必須解決雜散腐蝕的問題 ,提高電化學(xué)反應(yīng)的定域蝕除能力 。早期研究發(fā)現(xiàn) ,脈沖電解可提高溶解的定域性和過程穩(wěn)定性 , 但對脈沖寬度在溶解定域性上起多大作用及其起作用的具體機(jī)理并不清楚 。后來研究發(fā)現(xiàn) ,脈沖電解中采用脈寬為毫秒級和微秒級的脈沖 ,可使電流效率-電流密度曲線的斜率增大 ,加工過程的非線性效應(yīng)增強(qiáng) ,工件溶解的定域性得到提高 , 有利于提高加工精度 。隨著納秒脈沖電源的應(yīng)用 ,微細(xì)電解加工得以向更細(xì)微化的方向發(fā)展 。德國 Fritz -Haber 研究所的 R . Schuster 、 V . Kirchner 等人采用脈沖寬度為納秒級的超短脈沖電流進(jìn)行電化學(xué)微細(xì)加工新技術(shù) , 成功地加工出了數(shù)微米尺寸的微細(xì)零件 , 加工精度可達(dá)幾百納米 ,充分發(fā)揮了脈沖電流微細(xì)電解加工的潛力 。該技術(shù)根據(jù)電化學(xué)測試技術(shù) ,在電解加工系統(tǒng)中又增加了參比電極和輔助電極 ,用電化學(xué)恒電位儀嚴(yán)格監(jiān)控工具和工件的電極電位( 將工具電位控制在被加工金屬的平衡電位 , 工件電位控制在高于工具電位 0 . 2 V) ; 通過對極間電流波形的高速采樣精密控制加工間隙至 1 μ m , 使用超短脈沖( 脈寬30 ns 、占空比 1∶ 10) 小容量電源提供能量 , 實(shí)現(xiàn)了亞微米級精度的電化學(xué)加工 。

其他有關(guān)微細(xì)電解加工的研究進(jìn)展

基于掃描探針顯微術(shù)的微細(xì)電解加工技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)注 , 其中既有基于掃描電化學(xué)顯微鏡( SECM) 的 ,也有基于掃描隧道顯微鏡( STM )的 , 不過基本上都是處于實(shí)驗(yàn)室研究階段 。該方法的特點(diǎn)是加工尺度可達(dá)微米級以下 ,顯示出微細(xì)電解加工技術(shù)在微/納加工領(lǐng)域的潛能 。加工中的陰極通常采用電化學(xué)腐蝕得到的探針電極 , 探針的形狀和尺寸對加工的分辨率和加工質(zhì)量有很大影響 ,探針針尖尺寸可小至納米級 。日本研究人員采用 STM 進(jìn)行電解腐蝕 , 加工出深 100 nm 、寬 200 ～ 300 nm 的微槽。也有人嘗試采用激光與 STM 聯(lián)用進(jìn)行電解微/納米材料加工的新方法 ?？紤]到采用 STM 進(jìn)行微細(xì)電解加工對設(shè)備和加工條件要求苛刻 ,有人提出相對簡單的基于掃描離子電導(dǎo)顯微術(shù)的電解微細(xì)加工方法 : 采用內(nèi)部充滿電解液的微滴管作為微探針 ,微滴管的尖端口徑從 0 . 1 μ m 到數(shù)十微米不等 ,在微滴管內(nèi)設(shè)置一金屬電極構(gòu)成陰極 , 通過反饋控制電路保持微滴管與陽極表面的間距恒定,移動微滴管以不同路徑橫向掃描陽極 , 即可在陽極表面加工出任意形狀的點(diǎn) 、線 、面結(jié)構(gòu) 。