1 引言 z9g6%RbwX  
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    1987 年美國(guó)科學(xué)家提出了微機(jī)電系統(tǒng)(mems)發(fā)展計(jì)劃，這標(biāo)志著人類對(duì)微機(jī)械的研究進(jìn)入到一個(gè)新的時(shí)代。目前，應(yīng)用于微機(jī)械的制造技術(shù)主要有半導(dǎo)體加工技術(shù)、微光刻電鑄模造(liga)工藝、超精密機(jī)械加工技術(shù)以及特種微加工技術(shù)等。其中，特種微加工方法是通過(guò)加工能量的直接作用，實(shí)現(xiàn)小至逐個(gè)分子或原子的去除加工。特種加工是利用電能、熱能、光能、聲能、化學(xué)能等能量形式進(jìn)行加工的，常用的方法有：電火花加工、超聲波加工、電子束加工、離子束加工、電解加工等等。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)一種可實(shí)現(xiàn)微小加工的新方法：光成型法，包括立體光刻工藝、光掩膜層工藝等。其中利用激光進(jìn)行微加工顯示出巨大的應(yīng)用潛力和誘人的發(fā)展前景。 7DoU7I\u  
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2 常用激光微加工技術(shù) )cZHBG.0H  
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    激光微加工技術(shù)具有非接觸、有選擇性加工、熱影響區(qū)域小、高精度與高重復(fù)率、高的零件尺寸與形狀的加工柔性等優(yōu)點(diǎn)[1]。實(shí)際上，激光微加工技術(shù)最大的特點(diǎn)是“直寫(xiě)”加工，簡(jiǎn)化了工藝，實(shí)現(xiàn)了微型機(jī)械的快速成型制造。此外，該方法沒(méi)有諸如腐蝕等方法帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，可謂“綠色制造”。在微機(jī)械制造中采用的激光微加工技術(shù)有兩類：1) $e--"@[Y  
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    材料去除微加工技術(shù)，如激光直寫(xiě)微加工、激光liga 等；2)材料堆積微加工技術(shù)，如激光微細(xì)立體光刻、激光輔助沉積、激光選區(qū)燒結(jié)等。 jX(${j<  

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2.1 激光直寫(xiě)技術(shù) qBh@^GxY),  
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    準(zhǔn)分子激光波長(zhǎng)短、聚焦光斑直徑小、功率密度高，非常適合于微加工和半導(dǎo)體材料加工。在準(zhǔn)分子激光微加工系統(tǒng)中，大多采用掩膜投影加工，也可以不用掩膜，直接利用聚焦光斑刻蝕工件，將準(zhǔn)分子激光技術(shù)與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，綜合激光光束掃描與x-y 工作臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及z 方向的微進(jìn)給，可以直接在基體材料上掃描刻寫(xiě)出微細(xì)圖形，或加工出三維微細(xì)結(jié)構(gòu)[2]。圖1 為準(zhǔn)分子激光加工出來(lái)的微型齒輪，最小齒輪直徑為50mm。目前采用準(zhǔn)分子激光直寫(xiě)方式可加工出線寬為數(shù)微米的高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)。另外，利用準(zhǔn)分子激光采取類似快速成型(rp)制造技術(shù)，采用逐層掃描的方式進(jìn)行三維微加工的研究也已取得較好結(jié)果[3]。 Nq8 3 6HL  
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2.2 激光liga 技術(shù) 7 @}`1>97  
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    它采用準(zhǔn)分子激光深層刻蝕代替載射線光刻，從而避開(kāi)了高精密的載射線掩膜制作、套刻對(duì)準(zhǔn)等技術(shù)難題，同時(shí)激光光源的經(jīng)濟(jì)性和使用的廣泛性大大優(yōu)于同步輻射載光源，從而大大降低 liga 工藝的制造成本，使liga技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。盡管激光liga 技術(shù)在加工微構(gòu)件高徑比方面比載射線差，但對(duì)于一般的微構(gòu)件加工完全可以接受。此外，激光liga 工藝不像載射線光刻需要化學(xué)腐蝕顯影，而是“直寫(xiě)”刻蝕，不存在化學(xué)腐蝕的橫向浸 bu_@A^ys  
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    潤(rùn)腐蝕影響，因而加工邊緣陡直，精度高，光刻性能優(yōu)于同步載射線光刻[4]。 K@g ~  
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2.3 激光微立體光刻(msl)技術(shù) SOM? 0.  
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    它是立體光刻(sla)工藝這一先進(jìn)的快速成型技術(shù)應(yīng)用到微制造領(lǐng)域中衍生出來(lái)的一種加工技術(shù)，因其加工的高精度與微型化，故稱為微立體光刻(microstere-olithography 或msl)[5]。同其他微加工技術(shù)相比，微立體光刻技術(shù)最大的特點(diǎn)是不受微型器件或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形狀的限制，可以加工包含自由曲面在內(nèi)的任意三維結(jié)構(gòu)，并且可以將不同的微部件一次成型，省去微裝配環(huán)節(jié)，如圖2所示。此外，該技術(shù)還有加工時(shí)間短、成本低、加工過(guò)程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，為微機(jī)械批量化生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。該技術(shù)的局限性在于兩方面：1) 精度較低，目前基于快速成型的微加工技術(shù)的最高水平方向的精度在1mm 左右，而垂直方向大約為3mm，顯然這一精度無(wú)法同基于集成電路的硅微加工工藝相比。2) 使用材料受到一定的限制，目前的樹(shù)脂材料在電性能、機(jī)械性能、熱性能方面與硅材料相比有一定差距。近年來(lái)，激光微立體光刻技術(shù)得到了大力研究與開(kāi)發(fā)。在提高精度與效率方面有如下發(fā)展方向： l>pB\<LL  
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    1) 以面曝光代替點(diǎn)曝光，從而進(jìn)一步縮短加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率； ^v cnDi  
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    2) 在材料方面，研究開(kāi)發(fā)出更高分辨率的光固化樹(shù)脂，如已 UXdc'i g  
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    研制出的雙光近紅外光聚合樹(shù)脂為高精度制造奠定了良好基礎(chǔ)； &|
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    3) 在工藝方面，研究開(kāi)發(fā)無(wú)需任何支撐結(jié)構(gòu)或犧牲層的工藝以及與平面微加工工藝的集成， ecJjE 56P  
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    從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化工藝，提高加工精度與生產(chǎn)柔性。 sCzpNJ"8  
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2.4 激光輔助氣相沉積(lcvd)技術(shù)在化學(xué)氣相沉積(cvd)工藝 N0kCdJv  
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    圖1 采用準(zhǔn)分子激光加工的微型齒輪 rOt{bh6r  
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    圖2 (a) 兩種微零件一次固化成型原理示意圖；(b) 固化微成型的兩種零件中，固態(tài)物質(zhì)從氣相通過(guò)化學(xué)反應(yīng)沉積在基片表面上。用激光輔助化學(xué)氣相沉積來(lái)制作三維微結(jié)構(gòu)，是將聚焦激光微光束通過(guò)定域加熱基片，啟動(dòng)并維持cvd 過(guò)程，在沉積過(guò)程中通過(guò)移動(dòng)基片或激光束，將固體結(jié)構(gòu)以很高的分辨率沉積塑型。塑造幾何形狀時(shí)不受平面投影和平面掃描的局 r,0D I  
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    限，能制作出復(fù)雜幾何形狀的立體微結(jié)構(gòu)。如圖3 所示的生長(zhǎng)過(guò)程中，以特定方式運(yùn)動(dòng)工件臺(tái)并使激光焦斑運(yùn)動(dòng)速度始終與晶體生長(zhǎng)速度相同，即可做出所需的微結(jié)構(gòu)。 ]GY8f3~|{  
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2.5 激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(sls) ]?D$n  
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    它是快速成型技術(shù)的一種，具有可加工材料范圍廣且可制作任意復(fù)雜三維形狀的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。目前，人們嘗試用sls 工藝進(jìn)行微機(jī)械的制造[6]。在sls 工藝中，首先在計(jì)算機(jī)上完成符合需要的三維cad模型，再用分層軟件對(duì)其進(jìn)行分 /}>8|#U3y  
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    層得到各層截面，采用自動(dòng)控制技術(shù)，使激光有選擇地?zé)�結(jié)出與計(jì)算機(jī)內(nèi)零件截面相對(duì)應(yīng)部分的粉末，使粉末經(jīng)燒結(jié)融化冷卻凝固成型。完成一層燒結(jié)后再進(jìn)行下一層燒結(jié)，且兩層之間燒結(jié)相連。如此層層燒結(jié)、堆積，結(jié)果燒結(jié)部分恰好是與cad 原型一致的實(shí)體，而未燒結(jié)部分則是松散粉末，可以起到支撐的作用，并在最后很容易清理掉。圖4 為sls燒結(jié)金屬粉末成形的微型漢字(旁邊為一火柴頭)。燒結(jié)系統(tǒng)的精度受以下因素的影響：激光功率、激光焦斑直徑、掃描速度、粉末顆粒直徑、粉末的各向異性以及燒結(jié)過(guò)程中的溫度控制等。用 [m h>N$  
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    sls 工藝進(jìn)行三維成形，還可以在一個(gè)微結(jié)構(gòu)內(nèi)集成多種材料完成一定的功能。 /*Q3=Dse]  
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3 其他激光微加工技術(shù) ;w"h