4.2　微機電系統中的傳統超精密與特種加工技術

微機電系統中采用的超精密加工技術多是由加工工具（如車刀、銑刀、刨刀、磨刀、鉆刀等）本身的形狀或運動軌跡來決定微型器件的形狀。這類方法可以加工各種材料的微器件，包括三維立體的微型器件和形狀復雜且有較高精度的微構件。其缺點是加工精度、裝配方法以及與電子元器件和電路加工的兼容性不夠好，需要進一步改進。

特種加工則是一種非接觸加工，與加工對象的力學性能無關，不存在加工中的機械應變或大面積的熱應變。微機械制造中特種加工技術主要有電火花加工以及各種高能束加工（激光束、電子束、離子束）等。這類方法加工精度比較高，可加工深度也比較大。

4.2.1　超精密機械加工

目前在微機電系統制造技術中應用的超精密加工主要有以下幾種加工技術。

①微鉆孔加工　目前微鉆頭最小的直徑為2.5μm。由于鉆頭直徑小，在微機械加工中鉆頭前端的晃動直接影響加工精度和鉆頭的壽命，要求有適當的措施來減小鉆頭晃動。

②微銑削加工　基本上與傳統銑削加工的原理相似。目前它的主要目的之一是希望能制造微小銑刀，美國研究出利用鉆石刀具微切削加工制造直徑為75μm的刀柄。

③微細磨削（超精密磨削）　是在一般精密加工基礎上發展而來的。如把砂輪和砂帶表面上的磨粒近似看成一個個微小的刀刃，整個砂輪則可看成是具有極多微小刃齒的銑刀。其刃口圓弧半徑比一般車刀和銑刀刃口半徑小得多，所以切削厚度很小，同時其加工精度也較高，切削速度快，效率高。常用的磨粒材料是人造金剛石和CBN（立方氮化硼）。

④研磨加工　以研磨和拋光為代表的磨料加工技術常應用于硬質脆性材料的微機械加工。研磨加工一般在研磨盤上均勻涂上磨料，被加工件靜置于盤上，加以一定載荷，使工件移動，達到研磨目的。拋光工藝則是利用拋光液中的游離磨料對工件表面進行加工，可進一步提高加工精度和工件表面質量。

在目前所有的微切削加工技術中，以鉆石刀具微切削最具代表性。典型的鉆石刀具刃口半徑可達0.01μm。鉆石刀具大都以單晶鉆石制成，有著良好的切削性能，可適用于鋁、銅、鉛等非鐵金屬以及非金屬材料的微機械加工。目前主要應用于溝槽加工以及三維構件的加工。這類加工不僅可以制造非常微小而精確的構件，又可得到非常好的表面粗糙度。圖4-1為由微切削加工完成的微電機與螺旋槳組件和V形微槽。

4.2.2　微細電火花加工

微細電火花加工（μEDM）的基本原理是利用脈沖放電產生瞬間高溫對工件進行蝕刻加工。工具電極與工件電極浸在絕緣體中距離很近，由于電極微觀表面凹凸不平，當脈沖電壓加在兩電極上，兩極間相對靠近的點電場強度最大，該點絕緣工作液體最先被電離擊穿，形成脈沖放電，產生巨大熱量，從而使金屬局部熔化甚至汽化。由于這個過程很短，類似于爆炸，在這種放電爆炸式的力作用下，熔化的金屬被拋出，從而達到對金屬工件蝕除加工的目的。圖4-2為微細電火花加工得到的微電極和三角形微孔。

微細電火花加工時無需接觸工件，工件不受力，因此不會變形，有著較好的成形能力，多用于穿孔和切割等方面。

為進一步提高放電加工精度，滿足微小機械制造要求，人們開發出線電極電火花磨削法（WEDG），其基本原理示意圖如圖4-3所示。與普通的電火花加工不同，線電極電火花磨削法用線電極代替塊狀電極作為成形工具，放電時，線電極沿導線板連續移動，這樣就移去了線電極因放電熔化而使直徑減小的那部分，從而保持了切削進給量能夠為定值。

用線電極電火花磨削法可以加工各種微小尺寸的軸以及微結構等。圖4-4為用線電極電火花磨削法加工的微結構。

4.2.3　高能束微機械加工技術

高能束加工是指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。其偏轉掃描柔性好，無慣性，能實現全方位加工。高能束加工屬于非接觸加工，無加工變形，而且幾乎可以對任何材料進行加工。

（1）激光束加工

聚焦激光束照射工件，材料吸收光能并轉化為熱能，使材料發生熔化或汽化，從而達到去除材料的目的。激光束加工可用于鉆孔、切割、雕刻、焊接、金屬表面激光強化等，幾乎可加工任何材料，包括金剛石、石英、陶瓷以及硬質合金等硬脆性材料。圖4-5為激光束加工示意圖。

（2）電子束加工

電子束加工分熱型和非熱型兩種。

熱型加工（圖4-6）是在真空下利用聚焦的電子束高速沖擊工件材料，使其局部產生瞬間高溫，熔化或汽化材料并去除，適合打孔、切割槽縫、焊接及其他深結構的微機械加工。

非熱型加工是利用電子束的化學效應進行微機械加工等。電子束可以聚焦得很細，可達納米級。尤其是真空環境下，加工表面不會氧化，有利于實現易氧化材料的加工。圖4-7給出了幾個非熱型電子束加工的例子。

（3）離子束加工

離子束加工的基本原理是將聚焦后的離子束用電場加速，使其達到高能量狀態去撞擊工件，使材料表面的原子獲得動能，從工件本體上分離，實現加工目的。離子束加工主要應用于微機械加工、濺射加工和注入加工。等離子束加工適用于各種金屬材料的切割、焊接、熱處理，還可進行工件表面強化、等離子弧堆焊及噴涂。