微成形技术的研究概述

【摘要】本文简要介绍了硅基微加工技术、LIGA技术、超精密机械加工技术、微注射成形技术、微铸造成形技术五种微成型加工技术，对其最新研究成果做出了总结，并对微成型技术的发展趋势进行了展望。

【关键词】微成形技术；展望

1.引言

二十年来微型机电系统有了飞速的发展，而微成形技术是微型机电系统的灵魂，世界上各工业先进国家对微机械的研究重点都放在了微成形技术的研发上。到目前为止，涌现出了多种成熟的微成形技术，如以美国为代表的硅基表面加工及体加工技术、以德国为代表LIGA技术和以日本为代表的超精密机械加工技术，此外还有高能束加工技术、微注塑成形技术、微粉末注射成形技术及微铸造技术等一些方兴未艾的微成形技术，下面就几种常用的微成型技术进行简单介绍。

2.硅基微加工技术

硅基微加工技术由美国的科学家率先提出，是微电子技术飞速发展的延伸。硅基微加工技术目前主要有表面微机械加工和体微机械加工两种方式。

硅基微加工技术首先是在硅基表面上沉积薄膜，再用光刻技术在薄膜上显影出微结构，最后用各种腐蚀工艺（等离子腐蚀、化学腐蚀等）去除掉多余的部分，从而得到预先想要的微结构。Sandia国家实验室开发的五层多晶硅表面牺牲层工艺代表了这一方向的最高水平。

体微机械加工技术是将整块材料如单晶硅基片加工成微机械结构的生产工艺，即按照设计图形在硅片上有选择地去除一部分硅材料，形成微机械结构。通常，微机械结构的形成要经历选择掺杂和结晶湿化学腐蚀两道工序。和微电子生产中的亚微米光刻工艺比较，这些工艺尺度相对大而粗糙，线度变化在几微米到几百微米之间。体微加工技术的关键技术主要包括湿法刻蚀和干法刻蚀两种方法。湿法刻蚀主要是根据材料的性能在刻蚀溶液中进行；干法刻蚀主要是采用物理法（溅射、离子铣）和化学等离子刻蚀，适用于各向同性及各向异性刻蚀。体微机械加工的一个主要优点是它可以相对容易地制造出大质量的零部件，缺点是它很难制造精细灵敏的悬挂系统。另外，由于体微机械加工工艺无法做到零部件的平面化布局，因此它不能够和微电子线路直接兼容。

复合微机械加工技术是体微机械加工技术和表面微机械加工技术的综合。它是在体微机械加工技术和表面微机械加工技术的基础上发展起来的新兴技术，具有体微机械加工技术和表面微机械加工技术的优点，同时也避免了它们的缺点。

3.LIGA技术

起源于德国的LIGA技术被认为是微型机电系统技术中的极有发展前途的一种技术，受到各国的高度重视。LIGA是利用X射线深层光刻、电铸成型和微复制三种工艺手段有机结合的一种技术，可在二维平面内加工任意几何形状的微结构，且适用于多种材料，加工精度高，是有望实现三维加工的技术[1]。LIGA技术制造的微结构的高度可达数百微米，其深宽比可达100以上，而厚度只有2～3μm。同时在全高度内的尺寸精度可控制在亚微米级。

由于LIGA技术需要掩模，其精确度和灵活性受到了限制。不同的图形必须更换不同的掩模板，加工工艺不够灵活，同时LIGA技术需要昂贵的同步辐射光源，使得成本较高，推广困难。在此情况下，近年来发展了准LIGA技术，即在微米级分辨率前提下，将常规的近紫外光和激光扩展应用到厚层光刻胶的成形，大大降低了加工设备的投资。采用UV-LIGA和LASER-LIGA工艺不需要制作X光掩模板，紫外和激光光源的经济性和使用的广泛性又大大优于同步辐射X光光源，从而可以大大降低LIGA工艺的制作成本，有利于广泛使用。与LIGA技术相比，准LIGA技术虽然能简化操作、大大降低成本费用，但却是以牺牲高准确度、大深宽比为代价的，因此准LIGA技术只适用于对垂直度和深度要求不太高的微结构的加工。

4.超精密机械加工技术

超精密加工技术是在六十年代初美国用单刃金刚石车刀镜面切削铝合金和无氧铜开始的，而日本人最早提出将之应用到微机械加工中，其思想是用大机器造小机器，再用小机器来制造微机器，然后用微机器来制造微机械用微构件。超精密机械加工技术在多样化材料加工方面具有独特优势，成为微米和中间尺度机械制造领域的一种重要的加工技术。

超精密机械加工技术中的常用刀具为单晶金刚石，其微小尺寸如图1所示。目前，单晶金刚石超精密加工技术已成功应用于隐形眼镜、棱镜、非球面透镜、微透镜阵列、金字塔微结构表面、减反射光栅等结构的加工。图2所示即是用单晶金刚石车床加工的微结构[3]。

在近十几年内，随着计算机技术的高速发展，超精密机床的一些关键技术，如控制技术、反馈系统、伺服驱动装置等方面有了很大的进步，提高了超精密机床的加工精度，目前，超精密加工已能够直接加工出粗糙度达1nm的表面。

5.微注射成形技术

微注射成形技术按照使用材料对象可分为两类，一类是以塑料为注射材料的微注塑成形技术，一类是以金属粉末为注射材料的粉末微注射成形技术。

微注塑成形技术实际上就是传统注塑技术的微型化，最早出现在20世纪80年代，主要应用在手表和相机行业。德国注塑机制造巨头Battenfeld公司制造了第一台全电子驱动的注塑机Microsystem50，其适用于手表、微机电系统和生物机械制造业，成形塑件质量小于0.1g，注射柱塞直径只有5mm。德国亚琛理工大学的塑料加工学院）设计制造了一种新型微注塑成型概念机，注射量比Microsystem50更小，可小于0.01g[4]。微注塑成形技术方面我国与国外的还有很大的差距。

粉末微注射成形技术要求所用的材料为粉末状，这就限制了其材料的种类，因为并不是所有的金属都能获得粉末，而且对金属粉末的颗粒度也有要求，要尽可能得到细的颗粒。此外，微型模具的制造是该技术的关键，而为了获得好的填充效果，也需对铸型抽真空和预热，这些都关系到能否获得低表面粗糙度、小壁厚、形状复杂的微构件。

德国在粉末微注射成形方面进行了相关的基础性和应用性研究。美国宾夕法尼亚州立大学的N.Koseski等研究了粉末粒度对粉末微注射成形产品的性能，尤其是表面粗糙度和结构分辨度的影响。北京科技大学自行研制开发了具有自主知识产权的适用于传统注射成形机的粉末微注射成形用模具，同时以羰基铁粉和铁镍合金粉为原料，在传统注射成形机上成功实现了粉末微注射成形齿顶圆直径小于1mm的微型齿轮的制备，齿顶圆直径为400μm，齿轮中心孔为60μm，齿轮高度为200μm[5]。

6.微铸造成形

微精密铸造工艺依托于传统铸造工艺，可加工复杂三维形状，有效的弥补了现有微成形工艺的缺陷。韩国LG研发中心用微铸造工艺制备的螺旋微齿轮，其最大的外径为1mm，整个齿高约为600μm。国内哈工大李邦盛率先成功研发了微加压铸造工艺，成功制造了外径只有580μm的三维复杂微齿轮，其齿轮轴直径仅为300μm[6]。有关微铸造成形工艺的研究，国外尚属起步阶段，国内除哈工大外，尚属空白，因此，深入研究微铸造成形工艺及相关理论具有重要的学术价值和创新性。

7.展望

上述微成型技术外，还有微挤压成形、激光微冲击成形等新型微成形技术。随着微成形技术的发展，某些微型零部件因材质的限制，在成形过程中往往需要几种微成形技术，微成形技术的综合应用应当是今后微成形技术应用的发展趋势。

参考文献

[1]张永华，丁桂甫，彭军等.LIGA相关技术及应用[J].传感器应用，2003，22（3）：60-64.

[2]郭丽丽，森田升.机械加工的超精密化和加工机械的微型化[J].现代制造工程，2006（11）：66-68.

[3]杨元华，陈时锦，程凯等.超精密机械加工技术在微光学元件制造中的应用[J].航空精密制造技术，2005（4）：10-12.

[4]宋满仓，王敏杰.微成形技术的现状与发展[J].中国机械工程，2003，14（15）：1345-1346.

[5]尹海清，贾成厂，曲选辉.粉末微注射成形技术现状[J].粉末冶金技术，2007，25（25）：382-386.

[6]李邦盛，任明星，傅恒志.微精密铸造工艺研究进展[J].铸造，2007，56（7）：673-678.