| 隨着微納米科學技術的進步，產品不斷向微型化方向發展。特徵尺寸為微米級的微機電系統應用越來越廣，進而推動了微細加工技術的快速發展。本文主要對目前各種微細加工技術作詳細的介紹，並對微細加工技術未來的發展方向進行展望。 |
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| 圖1 具有微結構的製品 A爲微齒輪，B爲微透鏡，C爲導光板 |
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微型製件、微型模具的應用技術與市場前景
隨着微納米科技的進步，產品不斷向微型化方向發展，特徵尺寸為微米級的微機電系統受到了人們的高度重視。微機電系統（MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems）技術是集微型傳感器、執行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源於一體的微型機電系統。
MEMS包括微型機構、微型傳感器、微型執行器和相應的處理電路等幾部分，是在融合多種微細加工技術、並在應用現代信息技術最新成果的基礎上發展起來的高科技前沿學科。MEMS為美國叫法，在日本被稱為微機械，在歐洲則被稱作微系統。
近幾年，MEMS已相繼應用於精密機械、光電通訊、影像傳輸、生化醫療、信息儲存等領域，如微齒輪、插頭式光纖連接器、醫學用微量泵、導光板、微透鏡、內窺鏡零件、微流控芯片、細胞培養用微型容器，以及旋轉傳感器中的衍射光柵等(圖1)，其廣泛應用值得期待。
目前對微製品的概念還沒有準確的定義，從微注塑成形的角度，給出了微型製品的含義，即微型製品應具有以下特徵：整體結構尺寸微小，通常其單件重量僅為幾毫克；具有表面微小結構，即製品總體尺寸仍為普通尺寸，但其局部細微結構的尺度為微米量級；微型精密零件，是指製品尺寸為任意的，但應有微米量級的尺寸精度。如果在尺寸和製造精度上加以限定，即微型模具擁有以下幾個特徵：成形製件體積達到1立方毫米；微觀尺寸從幾微米到幾百微米；模具表面粗糙度在0.1μm以下；模具製造精度從1μm到0.1μm。
預計從2010年開始，中國MEMS巿場增速將加快，2011年的增速有望達29.2%。
微型模具加工難點
微型模具並不一定指體積微小，傳統的體積大但具有微結構特徵的模具也稱作微型模具。微型模具的製造難點在於微小型腔或微小凸凹結構加工，而模具其它結構件的製造與普通模具基本一致。微小型腔的成形可在一個小體積的金屬塊上加工，然後把金屬塊作為一個鑲塊嵌入模板並進行整體組裝，這不僅便於微小型腔的微細加工和鑲塊的更換，且能提高模具整體壽命。
傳統的機械式加工方法不能加工尺寸太小或者微結構尺寸太小的微型模具，尺寸精度和表面粗糙度都達不到微型模具的設計要求。現在發展起來的光刻技術雖然能實現尺寸小精度高的要求，但光刻技術因其製造費用昂貴、加工周期長，工藝流程複雜等缺陷而限製了其廣泛應用。
微型模具加工技術发展快速 种类繁多
微型模具加工技術經過近幾年快速發展，種類比較繁多。按其加工原理不同可分為三大類：光製作技術，如LIGA技術、UV-LIGA技術、電子束光刻技術、激光加工技術；腐蝕技術，如刻蝕技術；微機械加工技術，如微細車削、微細銑削、微細磨削、微細電火花等傳統加工法。
光製作技術主要應用於具有微米級微結構的零件加工，加工精度達10nm以下；微機械加工技術應用於具毫米級微結構的零件加工，加工精度100nm以下。
1.LIGA技術
LIGA技術是近年來發展起來的新型光製作技術，名稱源於德文，意指為深度X射線刻蝕、電鑄成型和塑料鑄模等技術的完美結合。其主要工藝流程如下。
深度X射線刻蝕:利用同步輻射X射線在幾百微米厚的光刻膠上刻蝕出較大高寬比的光刻膠圖形，高寬比一般達到100。
電鑄成型及製模：將金屬從電極上沉積在底板的光刻膠圖形的空隙裡，直至金屬填滿整個光刻膠的圖形空隙為止。實際上，這一過程是將光刻膠圖形轉化為相反結構的金屬圖形。此金屬結構可作為最終產品，也可以作為批量複製的模具。
注模複製：將去掉基板和光刻膠的金屬模殼附上帶有注入孔的金屬板，從注入孔向型腔中注入塑料，冷卻後去掉模殼。在金屬板上留下一個塑料結構，此塑料結構作為微製品。
與傳統的其它微細加工技術相比，LIGA技術有許多優點：精度高，能達到亞微米級；可以得到高的深寬比結構，達幾百以上；沿高度方向的直線性和垂直度非常好；適用於多種材料，如金屬，陶瓷和聚合物。其缺點則是：需使用昂貴的同步輻射X射線，成本高；得到的形狀是柱狀，難以加工曲面和斜面的微器件；不能生成口小肚大的腔體。
2.UV-LIGA技術
昂貴的同步輻射X射線限製了LIGA技術的應用。而採用與其相似的工藝原理，探索低成本高深寬比的準LIGA技術應運而生，衍生出UV-LIGA技術、Laser-LIGA技術和Dem技術等。
適於中厚度的光刻膠的UV-LIGA技術已得到廣泛應用，其技術實質是用深紫外光的深度曝光來替代LIGA技術的同步輻射X射線深度曝光。相比X射線，深紫外線的曝光深度要低很多，當曝光較厚的PMMA光刻膠(大於4μm)時需要採用多次曝光、多次顯影的方法來實現。現在IBM公司研發出一種新型的負深紫外線光刻膠SU-8，能減少曝光次數，得到較好的曝光效果。下為該技術的主要工藝流程。
深度紫外線曝光：利用紫外線在SU-8光刻膠上刻蝕出光刻膠圖形。
電鑄成型及製模：將金屬從電極上沉積在底板的光刻膠圖形的空隙裡，直至金屬填滿整個光刻膠的圖形空隙為止，此金屬結構作為批量複製的模具。
注模複製：用注塑成形方法在金屬結構上複製出與金屬微結構相反的塑料微結構製品。
表1 LIGA技術與UV-LIGA技術特點比較 |
據表1，UV-LIGA技術和LIGA技術相比，具有加工成本低、周期短的優勢，但在加工深度、深寬比和側壁垂直度等參數方面存在不足。對於型腔側壁垂直度及深寬比要求不是很高時，它完全可以取代LIGA技術。
目前，UV-LIGA技術在型腔深度小於100μm的模具製作中取得成功的應用，逐步替代以往的傳統機械加工方法。
3.電子束光刻技術
電子束光刻技術是利用電子束作用在光刻膠上形成微納結構的一種加工技術。
它需要一個產生電子束的曝光機，目前曝光機主要有兩種類型：直寫式和投影式。直寫式曝光機將聚集的電子束直接打在表面塗有光刻膠的襯底上，不需要光學光刻工藝中昂貴的掩膜。而隨着直寫式電子束曝光機的小型化，直寫式光刻技術在科研中的應用將越來越廣泛。但是其局限性在於，電子束是掃描成像型的，生產率極低，遠未達到光學光刻所能達到的40-100片/小時的生產率，很難適用於大規模批量生產。正因為如此，電子束光刻一般用於製作高精度掩膜。
4.刻蝕技術
所謂刻蝕技術就是用化學或者物理的方法有選擇的從基片表面除去不需要材料的過程。其從機理上分為濕法和干法兩類。濕法刻蝕是將硅片浸泡在可與被刻蝕薄膜進行反應的溶液中，用化學方法除去不需要部分的薄膜。
干法刻蝕是將被加工的基片置於等離子體中，在帶有腐蝕性，具有一定能量粒子的轟擊下，反應生成氣態物質，去除被刻蝕薄膜，此種方法一般具有各向異性。
干法刻蝕的種類較多，根據其作用機理可分為物理刻蝕，化學刻蝕，物理-化學刻蝕三類。在干法刻蝕中，物理濺射作用越大，側向刻蝕越小，各向異性越好，但是其選擇性差，刻蝕速率低，對基片損傷大。干法刻蝕可以分為等離子體刻蝕，反應離子刻蝕，濺射刻蝕，離子束刻蝕，反應離子束刻蝕等。
5.微細車削
微細車削是加工回轉類零件的有效方法。加工微型零件時要求有合理的微型化車床、狀態監測系統、高速高回轉精度主軸、高分辨率的伺服進給系統，且刀刃足夠小、硬度足夠高的車刀。相比普通車削，微細車削的車床和刀具更小，當然工件也更小。
日本通產省工業技術院在1996年研製出世界首台微型車床。該車床長32mm寬25mm高30.5mm，重僅100g；主軸電機額定功率1.5W，轉速10000rpm。用其切割黃銅，進給方向的表面粗糙度Rz1.5μm，加工工件圓度2.5μm，加工出的最小外圓直徑60μm。
日本金澤大學研製的一套微細車削系統，包括微細車床，控制單元，光學顯微系統和監視器。機器長200mm，主軸功率0.5W，轉速3000-15000rpm連續可調；徑向跳動1μm以內；裝夾工件直徑0.3mm；XYZ軸的進給分辨率4nm；切削力通過一個具有三方向的力學傳感器來監測，以提高基層的進給精度。
使用原子力顯微鏡上的金剛石探針尖作車刀，在直徑0.3mm的黃銅絲毛坯上加工出直徑10μm的外圓柱面，還加工了長120μm、螺距12.5μm的絲桿。
圖2 微型車床 |
6.微細銑削
微細銑削技術主要是採用直徑幾十微米至一毫米的微型立銑刀，在常規尺寸的超精密機床上進行微細加工。
由於這些機床主要用於加工精度很高的非微小几何尺寸零件，通常需要昂貴的設計和製造工藝來達到期望精度，而對於微小零件，則缺少必要的柔性，且成本高，效率低。研發製造一種微型化的銑削加工設備迫在眉睫，它具有節省空間，節省能源，易於重組，成本低等優點。
目前國內對微細銑削加工的研究主要集中在加工表面質量，銑削力，銑刀的磨損和壽命，銑削狀態和對微小零件的加工能力等方面。
哈爾濱工業大學精密工程研究所研製了國內首台微小型臥式銑床，尺寸為300mm×150mm×165mm，主軸最高轉速為14000r/min，驅動系統分辨率為0.1μm。實現了在硬鋁LY12上銑削尺寸為700μm×40μm和500μm×20μm的薄壁結構；在兩塊尺寸為12mm×8mm和8mm×5mm的有機玻璃材料上進行了人臉曲面的數控加工。
近日，哈工大又成功研製一台三軸微小型立式銑床。其尺寸為300mm×300mm×290mm，主軸最高轉速16000r/min，最大徑向跳動1μm，驅動系統重複定位精度0.25μm，速度範圍1μm~250mm/s，全閉環控制，分辨率0.1μm。它使用0.2mm的微型立銑刀，可在70μm厚的小薄鋼片上加工一個微型槽。
圖 3 微型立式銑床 |
7.微細磨削
微細磨削加工是將砂輪和砂帶表面的磨粒近似看成刀刃，整個砂輪可以看作刀具。磨削加工微器件時需注意以下問題：磨粒在高速高壓高溫情況下會變鈍；磨粒在高速情況下會脫落。
磨削加工專門用於硬而脆的材料，磨削加工中磨輪的切削刃保持鋒利狀態是加工中的關鍵，利用ELID（在線電解修整砂輪）技術在磨削加工過程中進行磨輪的微細修整是行之有效的方法。另外選用硬度高，耐高溫，耐磨的磨粒材料會減緩磨粒變鈍和脫落情況。
8.微細電火花加工
微細電火花加工原理和普通電火花加工原理基本相同，都是基於在絕緣的工作液中通過電極和工件之間的脈衝性火花放電時的電腐蝕現象來蝕除多餘的材料，以達到對零件尺寸，形狀及表面質量預定的加工要求。
微細電火花加工具有低應力，無毛刺，可加工高硬度材料等優點，在微細加工領域中被廣泛的採用，已成為該領域一個重要的發展方向。
實現微細電火花加工的關鍵在於微小電極的製作，微小能量放電電源，工具電極的微量伺服進給，加工狀態監測，系統控制及加工工藝方法等。
日本東京大學Masuzawa T等人在電火花反拷加工的基礎上，利用線狀電極替代反拷模塊研製成功的線電極電火花磨削技術成功解決了微細電極的製作，使微細電火花加工進入實用性階段，成為微細加工領域的熱點。
綜合比較以上八種微細加工技術，單從加工精度，表面粗糙度等方面來考慮，LIGA技術最好，其餘光刻技術次之，微機械加工技術最差。各種加工方法由於其加工原理的局限性，都有其適合加工的微結構形狀。比如，LIGA技術只能加工柱狀的微結構；微細車削適合加工回轉類零件；微細磨削適合加工溝槽類微結構等。
表2 幾種微細加工技術的比較 |
對於微結構的加工精度，並不是精度越高越好，還要考慮價格、周期等因素。總的來說，能滿足要求且價格低周期短壽命長的加工方法才是最好的方法。幾種微細加工技術比較見表2。
應用舉例
LIGA技術在型芯鑲塊加工中起到了關鍵作用，一些難以實現的小尺度、高精度，高深寬比的型芯鑲塊已成功採用該技術。
中南大學機電工程學院模具技術研究所沈龍江博士在加工微透鏡陣列模具型芯鑲塊時便採用了該技術(圖4)。首先根據微透鏡陣列形狀設計其型芯鑲塊，由於在微透鏡陣列的注射成型中要通過優化工藝參數將製品的收縮率降到接近於零，才能保証製品精度和質量，同時還要考慮實驗中製品收縮的不確定性和模芯製造的經濟性。
圖4 LIGA技術製作的微圓柱陣列模芯鑲件
a. 鎳模芯鑲件 b.200μm微圓柱陣列顯微照片 |
此處所講的模芯鑲件的設計不考慮製品的收縮，按1:1的比例設計型腔。設計時，還要綜合考慮型芯鑲塊安裝的滑動結構設計和將要使用的加工技術。
前景展望
隨着微機電系統領域對微型製件需求量的不斷增長和質量要求的不斷提高，微型模具加工技術也在不斷發展和完善，以滿足微型製件的要求。
傳統的微細加工方法加工三維微小模具型腔，雖然工藝簡單實用，而且不需要太大的投資，但其加工型腔尺寸太大，精度太低；電化學等特種加工工藝雖然相對複雜，但在難切削材料，複雜型面和低剛度材料的模具型腔加工中，具有不可替代的優勢；以LIGA技術和UV-LIGA技術為代表的光加工技術，工藝最為複雜，但其加工精度最高，可達到的深寬比最大，模具型腔尺寸最小，是最具發展前途的微型模具加工方法。
為了適應微製品零件更多的要求，進一步研究工作除了在微機械切削加工方面不斷降低零件的加工尺寸，提高加工精度外，還應不斷開發新的特種加工技術和光加工技術。■
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