4.2　微机电系统中的传统超精密与特种加工技术

微机电系统中采用的超精密加工技术多是由加工工具（如车刀、铣刀、刨刀、磨刀、钻刀等）本身的形状或运动轨迹来决定微型器件的形状。这类方法可以加工各种材料的微器件，包括三维立体的微型器件和形状复杂且有较高精度的微构件。其缺点是加工精度、装配方法以及与电子元器件和电路加工的兼容性不够好，需要进一步改进。

特种加工则是一种非接触加工，与加工对象的力学性能无关，不存在加工中的机械应变或大面积的热应变。微机械制造中特种加工技术主要有电火花加工以及各种高能束加工（激光束、电子束、离子束）等。这类方法加工精度比较高，可加工深度也比较大。

4.2.1　超精密机械加工

目前在微机电系统制造技术中应用的超精密加工主要有以下几种加工技术。

①微钻孔加工　目前微钻头最小的直径为2.5μm。由于钻头直径小，在微机械加工中钻头前端的晃动直接影响加工精度和钻头的寿命，要求有适当的措施来减小钻头晃动。

②微铣削加工　基本上与传统铣削加工的原理相似。目前它的主要目的之一是希望能制造微小铣刀，美国研究出利用钻石刀具微切削加工制造直径为75μm的刀柄。

③微细磨削（超精密磨削）　是在一般精密加工基础上发展而来的。如把砂轮和砂带表面上的磨粒近似看成一个个微小的刀刃，整个砂轮则可看成是具有极多微小刃齿的铣刀。其刃口圆弧半径比一般车刀和铣刀刃口半径小得多，所以切削厚度很小，同时其加工精度也较高，切削速度快，效率高。常用的磨粒材料是人造金刚石和CBN（立方氮化硼）。

④研磨加工　以研磨和抛光为代表的磨料加工技术常应用于硬质脆性材料的微机械加工。研磨加工一般在研磨盘上均匀涂上磨料，被加工件静置于盘上，加以一定载荷，使工件移动，达到研磨目的。抛光工艺则是利用抛光液中的游离磨料对工件表面进行加工，可进一步提高加工精度和工件表面质量。

在目前所有的微切削加工技术中，以钻石刀具微切削最具代表性。典型的钻石刀具刃口半径可达0.01μm。钻石刀具大都以单晶钻石制成，有着良好的切削性能，可适用于铝、铜、铅等非铁金属以及非金属材料的微机械加工。目前主要应用于沟槽加工以及三维构件的加工。这类加工不仅可以制造非常微小而精确的构件，又可得到非常好的表面粗糙度。图4-1为由微切削加工完成的微电机与螺旋桨组件和V形微槽。

4.2.2　微细电火花加工

微细电火花加工（μEDM）的基本原理是利用脉冲放电产生瞬间高温对工件进行蚀刻加工。工具电极与工件电极浸在绝缘体中距离很近，由于电极微观表面凹凸不平，当脉冲电压加在两电极上，两极间相对靠近的点电场强度最大，该点绝缘工作液体最先被电离击穿，形成脉冲放电，产生巨大热量，从而使金属局部熔化甚至汽化。由于这个过程很短，类似于爆炸，在这种放电爆炸式的力作用下，熔化的金属被抛出，从而达到对金属工件蚀除加工的目的。图4-2为微细电火花加工得到的微电极和三角形微孔。

微细电火花加工时无需接触工件，工件不受力，因此不会变形，有着较好的成形能力，多用于穿孔和切割等方面。

为进一步提高放电加工精度，满足微小机械制造要求，人们开发出线电极电火花磨削法（WEDG），其基本原理示意图如图4-3所示。与普通的电火花加工不同，线电极电火花磨削法用线电极代替块状电极作为成形工具，放电时，线电极沿导线板连续移动，这样就移去了线电极因放电熔化而使直径减小的那部分，从而保持了切削进给量能够为定值。

用线电极电火花磨削法可以加工各种微小尺寸的轴以及微结构等。图4-4为用线电极电火花磨削法加工的微结构。

4.2.3　高能束微机械加工技术

高能束加工是指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。其偏转扫描柔性好，无惯性，能实现全方位加工。高能束加工属于非接触加工，无加工变形，而且几乎可以对任何材料进行加工。

（1）激光束加工

聚焦激光束照射工件，材料吸收光能并转化为热能，使材料发生熔化或汽化，从而达到去除材料的目的。激光束加工可用于钻孔、切割、雕刻、焊接、金属表面激光强化等，几乎可加工任何材料，包括金刚石、石英、陶瓷以及硬质合金等硬脆性材料。图4-5为激光束加工示意图。

（2）电子束加工

电子束加工分热型和非热型两种。

热型加工（图4-6）是在真空下利用聚焦的电子束高速冲击工件材料，使其局部产生瞬间高温，熔化或汽化材料并去除，适合打孔、切割槽缝、焊接及其他深结构的微机械加工。

非热型加工是利用电子束的化学效应进行微机械加工等。电子束可以聚焦得很细，可达纳米级。尤其是真空环境下，加工表面不会氧化，有利于实现易氧化材料的加工。图4-7给出了几个非热型电子束加工的例子。

（3）离子束加工

离子束加工的基本原理是将聚焦后的离子束用电场加速，使其达到高能量状态去撞击工件，使材料表面的原子获得动能，从工件本体上分离，实现加工目的。离子束加工主要应用于微机械加工、溅射加工和注入加工。等离子束加工适用于各种金属材料的切割、焊接、热处理，还可进行工件表面强化、等离子弧堆焊及喷涂。