微型机械制造技术

1. 微型机械系统的概念、尺度和特点？并列举代表性的应用实例2个以上。 答：概念：微型机械系统即微机电系统,指的是用微电子和精细加工手段制造的含有结构和系统尺寸较小的 静止或可动构件的机械装置. 尺度：分为1～10mm的微小型机械； 1um～1mm的微机械；  1nm～1um的纳米机械。 特点：（1）微型化：体积小，精度高，重量轻。 （2）性能稳定，可靠性高。 （3）能耗低，灵敏性和工作效率高。 （4）集成化：多功能、智能化。 （5）批量生产，制造成本低廉。 （6）多学科交叉。 代表性应用实例：(1)微型飞行器：a,由美国研制出的微型飞行器特征是：最大尺寸为15cm以下，重数百克以下，航程大于 10km，最高时速达80km/h，最高 飞行高度可达150m。它还应有导航及通信能力，可用手掷或飞机 部署它们，具有侦察成像、电磁 干扰等作战效能，一次性使用的微型飞行器的价格计划在1000美 元以下；b,机器蝇名叫“黑寡妇”，重量只有100毫克，身高不到3厘米。 (2)微小型卫星: 美国已发射重量在几百千克以下的多种小卫星和重量不足10千克的试验型纳卫星和皮卫星。 （3）微小型移动机器人：微小型移动式机器人主要也是用来从事侦察和探测 的。例如，美国麻省理工学院研制的“阿蒂拉Ⅰ ” 型机器人重1.6kg，有32台电机，10个微处理器和150 个传感器，并带有一台微型摄象机。由于它的6条腿都 具有关节，它的运动更加自如，还能越过障碍。 （4）灵巧微尘

2. 微机械制造材料大致分为几类？而常用的制造微机电产品的材料有哪些？MEMS装置为何大多选用硅材料制造？ 答：微机械制造材料大致分为结构材料、功能材料和智能材料三大类。 常用的制造微机电产品的材料有：a，结构材料：硅晶体；b，功能材料：压电材料、光敏材料等；c，智能材料：形状记忆合金、磁/电致伸缩材料、导电聚合物、电流变/ 磁流变材料等。 硅材料的优点： （1）优异的机械特性：在集成电路和微电子器件生产中，主要利用硅的电学特性；在微机械结构中，则是利用其机械特性。或者同时利用其机 械特性和电学特性，即具有机电合一的特性，便于实现机电器件的集 成化。 （2）储量丰富，成本低。硅是地壳中含量最多的元素之一，自然界的硅元素通常以氧化物如石英（sio2）的形式存在，使用时要提纯处理，通 常加工成为单晶形式（立方晶体，各向异性材料） （3）便于批量生产微机械结构和微机电元件。硅材料的制造工艺与基层电路工艺有很好的兼容性，便于微型化、集成化和批量生产。硅的微细 加工技术比较成熟，且加工精度高，容易生成绝缘薄膜。 （4）具有多种传感特性，如压电阻效应、霍尔效应。 （5）纯净的单晶硅呈浅灰色，略具有金属性质。可以抛光加工，属于硬脆材料，热传导率较大，对温度敏感。

3. 什么是膨胀合金？什么是形状记忆合金，并写出其英文全称和缩写？什么是压电材料、正压电效应、逆压电效应，常见的压电材料有哪些？ 答： 膨胀合金：指在一定温度范围内具有特殊的线膨胀系数（极小或为一定）的合金。 形状记忆合金：具有形状记忆特性的合金。英文全称为shape memory alloy，缩写为SMA。 压电材料：其弹性效应和电极化效应在机械应力或电场作用下相互耦合。 正压电材料：在机械应力作用下，将机械能转化为电能； 逆压电材料：在电压作用下，将电能转化为机械能。 常见的压电材料：石英晶体、压电陶瓷/电致伸缩材料、聚偏二氟乙烯薄膜、ZnO压电薄膜。

4. 什么是刻蚀系数，并采用画图和公式来描述。 答：刻蚀系数是用来反映刻蚀向纵向深入和向侧向钻蚀的情况。 公式：Ef=2D/(W2-W1)=D/R。侧向钻蚀越小，刻蚀系数越大，刻蚀部分 的侧面就越陡，刻蚀图形的分辨率也就越高。

5. 写出牺牲层法制作金刚石悬臂梁的工艺过程。 答： ① .硅衬底

② 在硅衬底上沉积一层介质膜 Si3N4； ③ 在Si3N4膜上再沉积一层厚2um的 SiO2膜作为牺牲层；

④ 有选择地局部腐蚀掉SiO2，用以制 出悬臂梁的固定端；

⑤ 在SiO2层及露出的Si3N4上沉积一层 厚约（1～2）um的单/多晶金刚石膜；

⑥ 最后腐蚀掉SiO2牺牲层，形成可活动的悬臂梁。

6、什么是电/磁流变液体？两者的区别. 答：电流变液体: 电流变液在通常条件下是一种悬浮液，它在电场的作用下可发生液体—固体的转变．当外加电场强度大大低于某个临界值时，电流变液呈液态；当电场强度大大高于 这个临界值时，它就变成固态；在电场强度的临界值附 近， 这种悬浮液的粘滞性随电场强度的增加而变大，这 时很难说它是呈液态还是呈固态。 磁流变液体：它是将微米尺寸的磁极化颗粒分散于非磁性液体 （矿物油、硅油等）中形成的悬浮液。在零场情况 下，磁流变液表现为流动性能良好的液体,其表观 粘度很小；在强磁场作用下可在短时间（毫秒级） 内表观粘度增加两个数量级以上，并呈现类固体特 性；而且这种变化是连续的、可逆的，即去掉磁场 后又恢复到原来的状态。 两者的区别： a) 两者塑性相似，但屈服强度磁流变液却明显高于点流变液， 高达80KPa，电流变液的屈服强度只有3kPa。 b) 磁流变液对环境的适应能力强，不受加工和使用中混入化学 杂质的影响。原材料无毒，对环境无污染。而电流变液对于 生产环境要求苛刻，需要严格的质量控制。此外，相同的配 比，不同批次的电流变液在性能上也有很大的差异。 c) 电流变液的最大缺点是使用的电压很高，达几千伏，具有一 定的危险性。

7、什么是等离子体？ 答：等离子体是由正离子、负离子、自由电子等带电粒子，以及不带电的中性粒子如激发态分子、自由基等组成的气体。等离子体正负电荷相等，等离子体导电。

8、请写出薄膜生成工艺方法的种类。并重点描述出低压化学气相沉积、溅射成膜、真空蒸镀的工艺装置的工艺过程，及技术参数。画出示意图，标出各部分结构名称以及低压参数和气相反应温度区间。 答：薄膜生成工艺方法包括物理气相沉积和化学气相沉积，其中物理气相沉积：真空蒸镀、溅射成膜（直流溅射、射频溅射、带有附加磁场的射频溅射装置）。化学气相沉积包括：常压化学沉积法、低压化学气相沉积法和等离子强化化学气相沉积法。 低压化学气相沉积：反应室保持低压强（约1000Pa~10Pa） 溅射成膜：真空度达0.013Pa以上；1000v以上（直流）；5-30MHz,1-2Kv(射频)

图 低压化学气相沉积法 图 真空蒸镀 低压化学气相沉积的工艺过程：反应气体A和B的分子中含有待沉积物质的原子，它们经分子筛过滤后进入混合器中，再进入反应室，反应室用电阻加热。2种气体进行化学反应后生成单质或化合物，沉积在经过清洁处理的衬底上，形成薄膜。副产品气体由出口处流出。

9、请用列表的方式写出常用的硅微加工工艺方法。并就其中的一种工艺过程详细加以论述。 答： 硅微加工工艺方法 体硅微机械加工 湿法腐蚀 各向同性腐蚀 各向异性腐蚀 干式腐蚀 离子刻蚀 表面硅微机械加工 薄膜生成技术 物理气相沉积技术 真空蒸镀 溅射成膜 化学气相沉积技术 常压化学气相沉积技术 低压化学气相沉积技术 等离子强化气相沉积技术 牺牲层技术

其中的一种工艺过程详细论述：可以写第8题的低压化学气相沉积的工艺过程。

10、什么是高能束加工，并简要说明高能束加工的特点？离子束加工工艺原理？与电子束加工工艺的区别是什么？加工设备组成？常见的离子束加工工艺至少3种以上。 答：高能束加工是利用能量密度很高的激光束、电子束或离子束等去除工件材料的特种加工方法的总称（利用以光量子、电子、等离子体为能量载体的高能量密度束流对材料和构件进行加工）。特点：非接触加工，无加工变形，而且几乎可以加工任何材料；一种典型的多学科交叉技术。（加工速度快，热流输入少，对工件热影响极少，工件变形小；束流能够聚焦且有极高的能量密度，激光加工、电子束加工可使任何坚硬、难熔的材料在瞬间熔融汽化，而离子束加工是以极大能量撞击零件表面，使材料变形、分离破坏；工具与工件不接触，无工具变形及损耗问题；束流控制方便，易实现加工过程自动化。） 离子束加工工艺原理：在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦， 使之打到工件表面从而对工件进行加工。 （离子束加工是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之具有高的动能能量，轰击工件表面，利用离子的微观机械撞击实现对材料的加工。离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。其物理过程可以作如下解释：当入射离子碰到工件表面时，撞击原子、分子发生能量交换。离子失去的部分能量传递给工件表面上的原子、分子，当达到足够的能量时，这些原子、离子便从基体材料中分离出来，产生溅射，其余的能量则转换为材料晶格的振动。） 与电子束加工工艺的区别是： 1) 离子束加工时，加速的物质是带有正电的离子而不是电 子，其质量比电子大数万倍，如氩离子的质量是电子的 7.2万倍，因此当离子被加速到较高速度时，离子束比电 子束具有更大的撞击动能； 2) 电子束加工要靠热效应进行加工，而离子束加工主要通 过离子撞击工件材料时引起的破坏、分离或直接将离子 注入加工表面等机械作用进行加工。 加工设备组成：主要包括离子源、真空系统、控制系统和电源等部分，主要不同点表现在离子源系统。 常见的离子束加工工艺:  离子束加工的物理基础是离子束射 到材料表面所发生的撞击效应、溅 射效应和注入效应。 具有一定动能的离子斜射到工件材 料表面时，可以将表面的原子撞击 出来，这就是离子撞击效应和溅射 效应。 如果将工件直接作为轰击的靶材， 工件表面就会受到离子刻蚀，也称 为离子铣削； 如果将工件放置在靶材附近，靶材 原子就会溅射到工件表面而被溅射 沉积吸附，使工件表面镀上一层靶 材原子薄膜； 如果离子能量足够大并垂直工件表 面撞击时，离子就会钻进工件表 面；离子注入。

11、电子束加工原理？加工设备组成？为什么要在真空系统内完成？常见的离子束加工工艺至少3种以上。

是在真空条件下， 利用聚焦后能量密度极高（106- 109W/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面 积上，在很短的时间（几分之 一微秒）内，其大部分能量转 变为热能，使被冲击部分的工 件材料达到几千摄氏度以上的 高温，从而引起材料的局部的 熔化和气化，被真空系统抽 走。

由电子枪、真空系统、控制系统和电源组成 真空系统维持在0.013-0.0013Pa的真空度，以保证电子高速运动，加工产生气体抽 出以保证加工时产生的金属蒸汽不会影响 电子发射，造成不稳定现象。

12、微装配系统类型、装配步骤及基本组成部分。 答：微装配系统类型：1)基于扫描电子显微镜的微装配系统；2) 基于光学显微镜的微装配系统。 装配步骤： a) 待装配微器件的准备 b) 微器件的传输 c) 微器件定位与固定 d) 微器件组装 e) 微器件装配性能测试。 f)