微型機(jī)械制造技術(shù)

微型機(jī)械系統(tǒng)的概念、尺度和特點(diǎn)？并列舉代表性的應(yīng)用實(shí)例2個(gè)以上。答：概念：微型機(jī)械系統(tǒng)即微機(jī)電系統(tǒng),指的是用微電子和精細(xì)加工手段制造的含有結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)尺寸較小的靜止或可動(dòng)構(gòu)件的機(jī)械裝置.尺度：分為1～10mm的微小型機(jī)械；1um～1mm的微機(jī)械；1nm～1um的納米機(jī)械。特點(diǎn)：〔1〕微型化：體積小，精度高，重量輕?！?〕性能穩(wěn)定，可靠性高?！?〕能耗低，靈敏性和工作效率高?！?〕集成化：多功能、智能化?！?〕批量生產(chǎn)，制造本錢(qián)低廉?！?〕多學(xué)科交叉。代表性應(yīng)用實(shí)例：(1)微型飛行器：a,由美國(guó)研制出的微型飛行器特征是：最大尺寸為15cm以下，重?cái)?shù)百克以下，航程大于10km，最高時(shí)速達(dá)80km/h，最高飛行高度可達(dá)150m。它還應(yīng)有導(dǎo)航及通信能力，可用手?jǐn)S或飛機(jī)部署它們，具有偵察成像、電磁干擾等作戰(zhàn)效能，一次性使用的微型飛行器的價(jià)格方案在1000美元以下；b,機(jī)器蠅名叫“黑寡婦〞，重量只有100毫克，身高不到3厘米。(2)微小型衛(wèi)星:美國(guó)已發(fā)射重量在幾百千克以下的多種小衛(wèi)星和重量缺乏10千克的試驗(yàn)型納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星?！?〕微小型移動(dòng)機(jī)器人：微小型移動(dòng)式機(jī)器人主要也是用來(lái)從事偵察和探測(cè)的。例如，美國(guó)麻省理工學(xué)院研制的“阿蒂拉Ⅰ〞型機(jī)器人重1.6kg，有32臺(tái)電機(jī)，10個(gè)微處理器和150個(gè)傳感器，并帶有一臺(tái)微型攝象機(jī)。由于它的6條腿都具有關(guān)節(jié)，它的運(yùn)動(dòng)更加自如，還能越過(guò)障礙?！?〕靈巧微塵微機(jī)械制造材料大致分為幾類？而常用的制造微機(jī)電產(chǎn)品的材料有哪些？MEMS裝置為何大多項(xiàng)選擇用硅材料制造？答：微機(jī)械制造材料大致分為結(jié)構(gòu)材料、功能材料和智能材料三大類。常用的制造微機(jī)電產(chǎn)品的材料有：a，結(jié)構(gòu)材料：硅晶體；b，功能材料：壓電材料、光敏材料等；c，智能材料：形狀記憶合金、磁/電致伸縮材料、導(dǎo)電聚合物、電流變/磁流變材料等。硅材料的優(yōu)點(diǎn)：〔1〕優(yōu)異的機(jī)械特性：在集成電路和微電子器件生產(chǎn)中，主要利用硅的電學(xué)特性；在微機(jī)械結(jié)構(gòu)中，那么是利用其機(jī)械特性?；蛘咄瑫r(shí)利用其機(jī)械特性和電學(xué)特性，即具有機(jī)電合一的特性，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)電器件的集成化?！?〕儲(chǔ)量豐富，本錢(qián)低。硅是地殼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，使用時(shí)要提純處理，通常加工成為單晶形式〔立方晶體，各向異性材料〕〔3〕便于批量生產(chǎn)微機(jī)械結(jié)構(gòu)和微機(jī)電元件。硅材料的制造工藝與基層電路工藝有很好的兼容性，便于微型化、集成化和批量生產(chǎn)。硅的微細(xì)加工技術(shù)比擬成熟，且加工精度高，容易生成絕緣薄膜?！?〕具有多種傳感特性，如壓電阻效應(yīng)、霍爾效應(yīng)?！?〕純潔的單晶硅呈淺灰色，略具有金屬性質(zhì)?？梢話伖饧庸ぃ瑢儆谟泊嗖牧?，熱傳導(dǎo)率較大，對(duì)溫度敏感。什么是膨脹合金？什么是形狀記憶合金，并寫(xiě)出其英文全稱和縮寫(xiě)？什么是壓電材料、正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)，常見(jiàn)的壓電材料有哪些？答：膨脹合金：指在一定溫度范圍內(nèi)具有特殊的線膨脹系數(shù)〔極小或?yàn)橐欢ā车暮辖?。形狀記憶合金：具有形狀記憶特性的合金。英文全稱為shapememoryalloy，縮寫(xiě)為SMA。壓電材料：其彈性效應(yīng)和電極化效應(yīng)在機(jī)械應(yīng)力或電場(chǎng)作用下相互耦合。正壓電材料：在機(jī)械應(yīng)力作用下，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；逆壓電材料：在電壓作用下，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。常見(jiàn)的壓電材料：石英晶體、壓電陶瓷/電致伸縮材料、聚偏二氟乙烯薄膜、ZnO壓電薄膜。什么是刻蝕系數(shù)，并采用畫(huà)圖和公式來(lái)描述。答：刻蝕系數(shù)是用來(lái)反映刻蝕向縱向深入和向側(cè)向鉆蝕的情況。公式：Ef=2D/(W2-W1)=D/R。側(cè)向鉆蝕越小，刻蝕系數(shù)越大，刻蝕局部的側(cè)面就越陡，刻蝕圖形的分辨率也就越高。寫(xiě)出犧牲層法制作金剛石懸臂梁的工藝過(guò)程。答：.硅襯底在硅襯底上沉積一層介質(zhì)膜Si3N4；在Si3N4膜上再沉積一層厚2um的SiO2膜作為犧牲層；有選擇地局部腐蝕掉SiO2，用以制出懸臂梁的固定端；在SiO2層及露出的Si3N4上沉積一層厚約〔1～2〕um的單/多晶金剛石膜；最后腐蝕掉SiO2犧牲層，形成可活動(dòng)的懸臂梁。6、什么是電/磁流變液體？?jī)烧叩膮^(qū)別.

答：電流變液體:電流變液在通常條件下是一種懸浮液，它在電場(chǎng)的作用下可發(fā)生液體—固體的轉(zhuǎn)變．當(dāng)外加電場(chǎng)強(qiáng)度大大低于某個(gè)臨界值時(shí)，電流變液呈液態(tài)；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度大大高于這個(gè)臨界值時(shí)，它就變成固態(tài)；在電場(chǎng)強(qiáng)度的臨界值附近，這種懸浮液的粘滯性隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而變大，這時(shí)很難說(shuō)它是呈液態(tài)還是呈固態(tài)。磁流變液體：它是將微米尺寸的磁極化顆粒分散于非磁性液體〔礦物油、硅油等〕中形成的懸浮液。在零場(chǎng)情況下，磁流變液表現(xiàn)為流動(dòng)性能良好的液體,其表觀粘度很?。辉趶?qiáng)磁場(chǎng)作用下可在短時(shí)間〔毫秒級(jí)〕內(nèi)表觀粘度增加兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，并呈現(xiàn)類固體特性；而且這種變化是連續(xù)的、可逆的，即去掉磁場(chǎng)后又恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。兩者的區(qū)別：兩者塑性相似，但屈服強(qiáng)度磁流變液卻明顯高于點(diǎn)流變液，高達(dá)80KPa，電流變液的屈服強(qiáng)度只有3kPa。磁流變液對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，不受加工和使用中混入化學(xué)雜質(zhì)的影響。原材料無(wú)毒，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。而電流變液對(duì)于生產(chǎn)環(huán)境要求苛刻，需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制。此外，相同的配比，不同批次的電流變液在性能上也有很大的差異。電流變液的最大缺點(diǎn)是使用的電壓很高，達(dá)幾千伏，具有一定的危險(xiǎn)性。7、什么是等離子體？答：等離子體是由正離子、負(fù)離子、自由電子等帶電粒子，以及不帶電的中性粒子如激發(fā)態(tài)分子、自由基等組成的氣體。等離子體正負(fù)電荷相等，等離子體導(dǎo)電。8、請(qǐng)寫(xiě)出薄膜生成工藝方法的種類。并重點(diǎn)描述出低壓化學(xué)氣相沉積、濺射成膜、真空蒸鍍的工藝裝置的工藝過(guò)程，及技術(shù)參數(shù)。畫(huà)出示意圖，標(biāo)出各局部結(jié)構(gòu)名稱以及低壓參數(shù)和氣相反響溫度區(qū)間。答：薄膜生成工藝方法包括物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積，其中物理氣相沉積：真空蒸鍍、濺射成膜〔直流濺射、射頻濺射、帶有附加磁場(chǎng)的射頻濺射裝置〕。化學(xué)氣相沉積包括：常壓化學(xué)沉積法、低壓化學(xué)氣相沉積法和等離子強(qiáng)化化學(xué)氣相沉積法。低壓化學(xué)氣相沉積：反響室保持低壓強(qiáng)〔約1000Pa~10Pa〕濺射成膜：真空度達(dá)0.013Pa以上；1000v以上〔直流〕；5-30MHz,1-2Kv(射頻)圖低壓化學(xué)氣相沉積法圖真空蒸鍍低壓化學(xué)氣相沉積的工藝過(guò)程：反響氣體A和B的分子中含有待沉積物質(zhì)的原子，它們經(jīng)分子篩過(guò)濾后進(jìn)入混合器中，再進(jìn)入反響室，反響室用電阻加熱。2種氣體進(jìn)行化學(xué)反響后生成單質(zhì)或化合物，沉積在經(jīng)過(guò)清潔處理的襯底上，形成薄膜。副產(chǎn)品氣體由出口處流出。9、請(qǐng)用列表的方式寫(xiě)出常用的硅微加工工藝方法。并就其中的一種工藝過(guò)程詳細(xì)加以論述。答：硅微加工工藝方法體硅微機(jī)械加工濕法腐蝕各向同性腐蝕各向異性腐蝕干式腐蝕離子刻蝕外表硅微機(jī)械加工薄膜生成技術(shù)物理氣相沉積技術(shù)真空蒸鍍?yōu)R射成膜化學(xué)氣相沉積技術(shù)常壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)等離子強(qiáng)化氣相沉積技術(shù)犧牲層技術(shù)其中的一種工藝過(guò)程詳細(xì)論述：可以寫(xiě)第8題的低壓化學(xué)氣相沉積的工藝過(guò)程。10、什么是高能束加工，并簡(jiǎn)要說(shuō)明高能束加工的特點(diǎn)？離子束加工工藝原理？與電子束加工工藝的區(qū)別是什么？加工設(shè)備組成？常見(jiàn)的離子束加工工藝至少3種以上。答：高能束加工是利用能量密度很高的激光束、電子束或離子束等去除工件材料的特種加工方法的總稱〔利用以光量子、電子、等離子體為能量載體的高能量密度束流對(duì)材料和構(gòu)件進(jìn)行加工〕。特點(diǎn)：非接觸加工，無(wú)加工變形，而且?guī)缀蹩梢约庸と魏尾牧?；一種典型的多學(xué)科交叉技術(shù)?！布庸に俣瓤?，熱流輸入少，對(duì)工件熱影響極少，工件變形小；束流能夠聚焦且有極高的能量密度，激光加工、電子束加工可使任何堅(jiān)硬、難熔的材料在瞬間熔融汽化，而離子束加工是以極大能量撞擊零件外表，使材料變形、別離破壞；工具與工件不接觸，無(wú)工具變形及損耗問(wèn)題；束流控制方便，易實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程自動(dòng)化?！畴x子束加工工藝原理：在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過(guò)加速聚焦，使之打到工件外表從而對(duì)工件進(jìn)行加工?！搽x子束加工是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過(guò)加速聚焦，使之具有高的動(dòng)能能量，轟擊工件外表，利用離子的微觀機(jī)械撞擊實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的加工。離子束加工的物理根底是離子束射到材料外表時(shí)所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。其物理過(guò)程可以作如下解釋：當(dāng)入射離子碰到工件外表時(shí)，撞擊原子、分子發(fā)生能量交換。離子失去的局部能量傳遞給工件外表上的原子、分子，當(dāng)?shù)竭_(dá)足夠的能量時(shí)，這些原子、離子便從基體材料中別離出來(lái)，產(chǎn)生濺射，其余的能量那么轉(zhuǎn)換為材料晶格的振動(dòng)?！撑c電子束加工工藝的區(qū)別是：離子束加工時(shí)，加速的物質(zhì)是帶有正電的離子而不是電子，其質(zhì)量比電子大數(shù)萬(wàn)倍，如氬離子的質(zhì)量是電子的7.2萬(wàn)倍，因此當(dāng)離子被加速到較高速度時(shí)，離子束比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能；電子束加工要靠熱效應(yīng)進(jìn)行加工，而離子束加工主要通過(guò)離子撞擊工件材料時(shí)引起的破壞、別離或直接將離子注入加工外表等機(jī)械作用進(jìn)行加工。加工設(shè)備組成：主要包括離子源、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等局部，主要不同點(diǎn)表現(xiàn)在離子源系統(tǒng)。常見(jiàn)的離子束加工工藝:離子束加工的物理根底是離子束射到材料外表所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。具有一定動(dòng)能的離子斜射到工件材料外表時(shí)，可以將外表的原子撞擊出來(lái)，這就是離子撞擊效應(yīng)和濺射效應(yīng)。如果將工件直接作為轟擊的靶材，工件外表就會(huì)受到離子刻蝕，也稱為離子銑削；如果將工件放置在靶材附近，靶材原子就會(huì)濺射到工件外表而被濺射沉積吸附，使工件外表鍍上一層靶材原子薄膜；如果離子能量足夠大并垂直工件表面撞擊時(shí)，離子就會(huì)鉆進(jìn)工件表面；離子注入。11、電子束加工原理？加工設(shè)備組成？為什么要在真空系統(tǒng)內(nèi)完成？常見(jiàn)的離子束加工工藝至少3種以上。是在真空條件下，利用聚焦后能量密度極高〔106-109W/cm2〕的電子束，以極高的速度沖擊到工件外表極小的面積上，在很短的時(shí)間〔幾分之一微秒〕內(nèi)，其大局部能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被沖擊局部的工件材料到達(dá)幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部的熔化和氣化，被真空系統(tǒng)抽走。由電子槍、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源組成真空系統(tǒng)維持在的真空度，以保證電子高速運(yùn)動(dòng)，加工產(chǎn)生氣體抽出以保證加工時(shí)產(chǎn)生的金屬蒸汽不會(huì)影響電子發(fā)射，造成不穩(wěn)定現(xiàn)象。12、微裝配系統(tǒng)類型、裝配步驟及根本組成局部。答：微裝配系統(tǒng)類型：1)基于掃描電子顯微鏡的微裝配系統(tǒng)；2)基于光學(xué)顯微鏡的微裝配系統(tǒng)。裝配步驟：待裝配微器件的準(zhǔn)備微器件的傳輸微器件定位與固定微器件組裝微器件裝配性能測(cè)試。根本組成局部：顯微觀測(cè)系統(tǒng)：即視覺(jué)系統(tǒng)，一般用立體顯微鏡、圖像采集卡和CCD攝像機(jī)以及監(jiān)視器組成，用于實(shí)現(xiàn)微器件圖像的采集和操作過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)視；精密機(jī)械系統(tǒng)：可實(shí)現(xiàn)微器件的承載和動(dòng)作，包括X-Y精密工作臺(tái)、微開(kāi)工作臺(tái)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。微夾持系統(tǒng)：完成微器件的微夾持和釋放操作，實(shí)現(xiàn)多自由度的位姿調(diào)整及其驅(qū)動(dòng)?？刂婆c驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：是微裝配系統(tǒng)的大腦，用于完成系統(tǒng)的動(dòng)作控制，實(shí)現(xiàn)微裝配的自動(dòng)化。〔顯微觀測(cè)系統(tǒng)、多自由度工作臺(tái)、微操作及微夾持系統(tǒng)、控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)〕13、微型零件精度檢測(cè)時(shí)需要注意哪幾個(gè)主要問(wèn)題，一般采用什么檢測(cè)方法？答：微型零件精度檢測(cè)時(shí)需要注意的問(wèn)題：接觸力會(huì)引起較大變形，導(dǎo)致的較大檢測(cè)誤差；體積小，難以固定，其定位誤差往往較大；異物以及衍射效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響也較大。一般采用的檢測(cè)方法：采用顯微視覺(jué)測(cè)量方法輔助以精密的機(jī)械移動(dòng)的方法；14、激光加工的原理？激光加工設(shè)備的組成？激光器的分類，并說(shuō)明工作物質(zhì)是什么？說(shuō)出至少3種以上激光加工工藝。答：激光加工的原理：當(dāng)能量密度極高的激光束照射在加工外表上時(shí)，一局部從材料外表反射，一局部透入材料內(nèi)其光能被吸收，并轉(zhuǎn)換為熱能，使照射區(qū)域的溫度迅速升高、熔化、氣化和熔融濺出而去除材料，如打孔、切割、電阻微調(diào)、動(dòng)平衡等?？偟膩?lái)說(shuō)，激光加工的機(jī)理就是熱效應(yīng)蝕除金屬，完成加工。激光加工設(shè)備的組成包括激光器、電源、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)四大局部。激光器是激光加工的重要設(shè)備，它把電能轉(zhuǎn)變成光能，產(chǎn)生激光束；激光器電源為激光器提供所需要的能量及控制功能；光學(xué)系統(tǒng)包括激光聚焦系統(tǒng)和觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等，后者能觀察和調(diào)整激光束的焦點(diǎn)位置，并將加工位置顯示在投影儀上；機(jī)械系統(tǒng)主要包括床身、工作臺(tái)及機(jī)電控制系統(tǒng)等。激光器按照激活介質(zhì)的種類可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器、自由電子激光器等。工作物質(zhì)：固體激光器——紅寶石、YNG；氣體激光器——二氧化碳?xì)怏w激光加工工藝：激光焊接時(shí)只要求將材料加熱到熔化程度而不要求去除激光熱處理只要求材料加熱到相變溫度即可。一般非金屬材料的反射率比金屬低得多，故吸收的激光能量也多。激光微細(xì)加工：激光打孔、切割、焊接等。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，利用強(qiáng)聚焦的激光束可以促使外表化學(xué)反響，進(jìn)行淀積、刻蝕、摻雜和掩模修復(fù)等激光化學(xué)微細(xì)加工，以及進(jìn)行激光快速退火、消除半導(dǎo)體片子的晶格損傷和進(jìn)行激活。15、請(qǐng)寫(xiě)出LIGA法加工工藝過(guò)程，并說(shuō)LIGA與準(zhǔn)LIGA法的區(qū)別？答：利用LIGA技術(shù)制作微金屬圖形主要由兩步關(guān)鍵工藝組成:首先利用同步輻射X射線光刻技術(shù)光刻出所要求的圖形;然后利用電鑄方法制作出與光刻膠圖形相反的金屬模具;再利用微塑鑄制備微結(jié)構(gòu)，具體的工藝步驟如下圖。加工工藝過(guò)程：曝光顯影電鑄去膠鑄塑LIGA與準(zhǔn)LIGA法的區(qū)別：使用光源的不同：LIGA工藝需要昂貴的同步輻射X光源，而準(zhǔn)LIGA法用的是常規(guī)紫外光，這就導(dǎo)致了LIGA工藝本錢(qián)高于準(zhǔn)LIGA工藝；掩模不一樣：LIGA工藝需要制作復(fù)雜的X線掩?！睞u掩模板〕，而準(zhǔn)LIGA使用的是標(biāo)準(zhǔn)的Cr掩模板；光刻膠的選用不同:LIG工藝常選用PMMA光刻膠〔厚達(dá)1000um〕，準(zhǔn)LIGA工藝常選用聚酰亞胺等光刻膠〔厚達(dá)300um〕;生產(chǎn)周期和生產(chǎn)本錢(qián)：LIGA生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，生產(chǎn)本錢(qián)較高，而準(zhǔn)LIGA生產(chǎn)周期較短，本錢(qián)較低；加工質(zhì)量的不同：LIGA工藝的深寬比可超過(guò)100，能加工亞微米精度的微結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)LIGA工藝的深寬比常為幾十，能加工微米精度的微結(jié)構(gòu)。16、請(qǐng)寫(xiě)出IBM、WEDG、EBM、、LBM、MEMS、MMT的中英文全稱？答：IBM——IonBeamMachiningWEDG——wireelectricdischarginggrinding、EBM——ElectronBeamMachining