【正文】 1994年發(fā)布的《美國(guó)國(guó)防部技術(shù)計(jì)劃》報(bào)告，把MEMS列為關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目。 T和的15名科學(xué)家在上世紀(jì)八十年代末提出小機(jī)器、大機(jī)遇：關(guān)于新興領(lǐng)域微動(dòng)力學(xué)的報(bào)告的國(guó)家建議書(shū)，聲稱由于微動(dòng)力學(xué)（微系統(tǒng)）在美國(guó)的緊迫性，應(yīng)在這樣一個(gè)新的重要技術(shù)領(lǐng)域與其他國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)中走在前面，建議中央財(cái)政預(yù)支費(fèi)用為五年5000萬(wàn)美元，得到美國(guó)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)重視，連續(xù)大力投資，并把航空航天、信息和MEMS作為科技發(fā)展的三大重點(diǎn)。 微型機(jī)械在國(guó)外已受到政府部門(mén)、企業(yè)界、高等學(xué)校與研究機(jī)構(gòu)的高度重視。1965年，斯坦福大學(xué)研制出硅腦電極探針，后來(lái)又在掃描隧道顯微鏡、微型傳感器方面取得成功。 1959年，RichardPFeynman（1965年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者）就提出了微型機(jī)械的設(shè)想。 二、國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀微細(xì)機(jī)械加工技術(shù)是微型機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)非常重要而又非常活躍的技術(shù)領(lǐng)域，其發(fā)展不僅可帶動(dòng)許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，更是與國(guó)家科技發(fā)展、經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)息息相關(guān)。微型機(jī)械與電子技術(shù)緊密結(jié)合，將使種類繁多的微型器件問(wèn)世，這些微器件采用大批量集成制造，價(jià)格低廉，將廣泛地應(yīng)用于人類生活眾多領(lǐng)域。 目前微型加工技術(shù)主要有基于從半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工工藝中發(fā)展起來(lái)的硅平面加工和體加工工藝，上世紀(jì)八十年代中期以后在LIGA加工（微型鑄模電鍍工藝）、準(zhǔn)LIGA加工，超微細(xì)加工、微細(xì)電火花加工（EDM）、等離子束加工、電子束加工、快速原型制造（RPM）以及鍵合技術(shù)等微細(xì)加工工藝方面取得相當(dāng)大的進(jìn)展。微細(xì)加工的出現(xiàn)和發(fā)展早是與大規(guī)模集成電路密切相關(guān)的，集成電路要求在微小面積的半導(dǎo)體上能容納更多的電子元件，以形成功能復(fù)雜而完善的電路。 微型機(jī)械的目的不僅僅在于縮小尺寸和體積，其目標(biāo)更在于通過(guò)微型化、集成化、來(lái)搜索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，開(kāi)辟一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域，形成批量化產(chǎn)業(yè)。 微型機(jī)械加工或稱微型機(jī)電系統(tǒng)或微型系統(tǒng)是只可以批量制作的、集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、甚至外圍接口、通訊電路和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。舉例導(dǎo)入舉例分析說(shuō)明結(jié)合實(shí)例分析討論法分析結(jié)合實(shí)際舉例舉例分析提問(wèn)學(xué)生總結(jié)教學(xué)環(huán)節(jié)教 學(xué) 內(nèi) 容備 注組織教學(xué)提問(wèn)導(dǎo)言檢查學(xué)生出勤微機(jī)械加工在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中所占的地位和作用？任務(wù)七 微機(jī)械加工技術(shù)一、 概念 尋找成本、時(shí)間、批量生產(chǎn)的協(xié)調(diào)并得到最優(yōu)的制造工藝。 加工方式從最初的手工操作向自動(dòng)化、智能化發(fā)展。 加工的材料，從單純的硅向著各種不同類型的材料發(fā)展，如玻璃、陶瓷、樹(shù)脂、金屬及一些有機(jī)物，大大擴(kuò)展了微機(jī)械的應(yīng)用范圍，滿足了更多的要求。光刻技術(shù)也從平面發(fā)展到了三維。4 微機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)近十幾年來(lái)，微機(jī)械電子系統(tǒng)得以迅猛發(fā)展，一些令人注目的微系統(tǒng)引起人們的廣泛關(guān)注，各種微型元件被開(kāi)發(fā)出來(lái)并顯示出現(xiàn)實(shí)和潛在的價(jià)值，微機(jī)械制造技術(shù)被認(rèn)為是微機(jī)械發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)之一從目前來(lái)看，總的發(fā)展趨勢(shì)是：加工方法從最初單一加工技術(shù)向組合加工技術(shù)發(fā)展。這些技術(shù)具有自身的特點(diǎn)，在微機(jī)械中，仍然有若一定的潛力，是基本技術(shù)的補(bǔ)充。目前實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的IC工藝與MEMS集成的方法有三種：第一種是先進(jìn)行IC工藝，再進(jìn)行MEMS微機(jī)械加工的單片集成工藝；第二種先進(jìn)行MEMS微機(jī)械加工再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)IC工藝的單片集成工藝；第三種是電路和MEMS分別制作在不同的襯底上然后再鍵合在一起的混合集成工藝，整個(gè)系統(tǒng)的尺寸可小至幾百微米。這是一種納米級(jí)微加工技術(shù)，是一種從物質(zhì)的微觀角度來(lái)構(gòu)造微結(jié)構(gòu)，制作微機(jī)械的方法．美國(guó)的IBM公司用STM操縱35個(gè)氙原子，在鎳板上拼出了“IBM”三個(gè)字母；中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所用原子擺成我國(guó)的地圖；日本用原子拼成了“Peace”一詞，有理由相信，STM將會(huì)在微細(xì)加工方面有更大的突破。 分子裝配技術(shù)80年代初發(fā)明的掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，簡(jiǎn)稱STM)以及后來(lái)在STM基礎(chǔ)上派生出的原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，簡(jiǎn)稱AFM)，使觀察分子、原子的結(jié)構(gòu)從宏觀進(jìn)入了微觀世界。隨著激光束分辨率的提高，達(dá)到數(shù)個(gè)微米的精度也就有了可能。 激光快速成型技術(shù)激光快速成型技術(shù)是利用光硬化性樹(shù)脂的光合成樹(shù)脂進(jìn)行加工的技術(shù)。反應(yīng)封接是將多晶硅結(jié)構(gòu)與硅基通過(guò)氧化封接在一起；淀積密封膜是用化學(xué)氣相淀積法在構(gòu)件和襯底之間淀積密封材料；鍵合技術(shù)分為硅硅直接鍵合和靜電鍵合：硅硅鍵合是將兩個(gè)經(jīng)過(guò)磨拋的平坦硅面在高溫下依靠原子的力量直接鍵合在一起形成一個(gè)整體，靜電鍵合主要用于硅和玻璃之間的鍵合，在400℃溫度下，將硅和玻璃之間加上電壓產(chǎn)生靜電引力而使兩者結(jié)合成一體。 封接技術(shù)封接技術(shù)在微機(jī)械加工中也占有重要位置，封接的目的是將分開(kāi)制作的微機(jī)械部件在不使用粘結(jié)劑的情況下連接在一起，封在殼中使其滿足使用要求封接技術(shù)影響到整個(gè)微系統(tǒng)的功能和尺寸，可以說(shuō)是微機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。但缺點(diǎn)是它所要求的同步輻射源比較昂貴、稀少，致使應(yīng)用受到限制，難以普及。m，LIGA的制造過(guò)程主要分四步：第一步，在絕緣基片(陶瓷或帶二氧化硅薄膜的硅片、上濺射金屬層(鉻、銀)作為電鑄工藝的基礎(chǔ)；第二步，在基片上濺射另一層鈦?zhàn)鳛闋奚鼘?；第三步，采用?biāo)準(zhǔn)LIGA工藝，X射線同步輻射制模，電鍍金屬(Ni)成型；第四步，在氫氟酸(HF)溶液中進(jìn)行選擇性刻蝕，分離出金屬結(jié)構(gòu)。 LIGA技術(shù)LIGA 是德文Lithographie, Galvanoforming, Abfovmung的縮寫(xiě)，是深層同步輻射X射線光刻、微電鑄、微塑鑄三種工藝的有機(jī)結(jié)合。多晶硅是常用的結(jié)構(gòu)層材料，結(jié)構(gòu)層腐蝕過(guò)后，除去犧牲層就可得到分離空腔結(jié)構(gòu)。m，但也可以更厚些。首先是在硅基底上淀積犧牲層材料，如淀積磷硅玻璃，其作用是為形成結(jié)構(gòu)層的后續(xù)工藝提供臨時(shí)支撐。表面微機(jī)械加工的關(guān)鍵步驟是有選擇性地將抗腐蝕薄膜下面的犧牲層腐蝕掉，從而得到一個(gè)空腔結(jié)構(gòu)．常用二氧化硅(SiO2)、磷硅玻璃(PSG)作為犧牲層材料。薄膜的加工一般采用光刻技術(shù)、通過(guò)光刻將設(shè)計(jì)好的微機(jī)械結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移到硅片上，再用各種腐蝕工藝形成微結(jié)構(gòu)。對(duì)要求精密，刻蝕深度淺的最好用干法刻蝕工藝，對(duì)要求各向異性大、腐蝕深度很深的則最好采用濕法腐蝕工藝。 就濕法和干法比較而言，濕法的腐蝕速率快、各向異性好、成本低，但控制腐蝕厚度困難。電位差使正離子從等離子體加速到基片上，垂直于基片的離子碰撞能直接產(chǎn)生腐蝕。CF4腐蝕硅的反應(yīng)離子刻蝕(RIE)原理。干法腐蝕利用等離子體取代化學(xué)腐蝕液，把基體暴露在電離的氣體中，氣體中的離子和基體原子間的物理和化學(xué)作用引起刻蝕，一些材料如鉑、二氧化錫等用濕法刻蝕很困難、而干法卻可以完成。該技術(shù)使用濃硼摻雜層或電化學(xué)刻蝕停止技術(shù)能使腐蝕自動(dòng)終止在特定層，可以精確控制腐蝕深度。但腐蝕深度的控制難度大，靠通過(guò)腐蝕時(shí)間來(lái)控制深度的誤差很大。因此，此法不適合制造復(fù)雜的立體微結(jié)構(gòu)，各向異性腐蝕液，主要有KOH和水的混合物；乙(撐)二胺、鄰苯二酚和水的混合液(簡(jiǎn)稱EPW)；HF、HNO3和醋酸的混合液(簡(jiǎn)稱HNA)。腐蝕分濕法腐蝕和干法腐蝕，濕法腐蝕又有各向同性和各向異性之分。硅單晶的抗拉強(qiáng)度(105N/cm2)比不銹鋼至少大三倍．利用硅材料是實(shí)現(xiàn)微型化及集成化的必然趨勢(shì)。3 微機(jī)械加工技術(shù)微機(jī)械加工使用最多的材料是硅材料，其來(lái)源廣泛，加工技術(shù)成熟，基片成本低，硅既有良好的機(jī)械特性，又有良好的電子性能和材料性能，十分適合微機(jī)械構(gòu)件的制造。微機(jī)械集傳感器、執(zhí)行器、信號(hào)處理和電子控制電路為一體，易于實(shí)現(xiàn)多功能化和智能化 適用于大批量生產(chǎn)、制造成本低。微機(jī)械所消耗的能量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)機(jī)械的十分之一，但卻能以十倍以上的速度來(lái)完成同樣的工作，如5mm5mm，而且機(jī)電一體化的微機(jī)械不存在信號(hào)延遲問(wèn)題，可進(jìn)行高速工作。由于微機(jī)械的體積小，幾乎不受熱膨脹、噪聲、撓曲等因素影響，具有較高的抗干擾性，可在較差的環(huán)境下進(jìn)行穩(wěn)定的工作。最近有資料表明，科學(xué)家們已能在5平方毫米內(nèi)放置1000臺(tái)微型發(fā)動(dòng)機(jī)。其體積可達(dá)亞微米以下，尺寸精度達(dá)納米級(jí)，重量可至納克。2 微機(jī)械及其特征微機(jī)械在美國(guó)被稱為微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro Electro Machanical System.，簡(jiǎn)稱MEMS) ；在日本被稱為微機(jī)器(MicroMachnie)；在歐洲則被稱為微系統(tǒng)(Microsystem)。舉例導(dǎo)入舉例分析說(shuō)明結(jié)合實(shí)例分析討論法分析結(jié)合實(shí)際舉例舉例分析提問(wèn)學(xué)生總結(jié)教學(xué)環(huán)節(jié)教 學(xué) 內(nèi) 容備 注組織教學(xué)提問(wèn)導(dǎo)言檢查學(xué)生出勤大家了解什么是微機(jī)械嗎？這節(jié)課我們就簡(jiǎn)單介紹一下。 　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征之一就是人機(jī)之間的交互性. 為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的充分交換信息，必須設(shè)計(jì)特殊輸入和演示設(shè)備，以影響各種操作和指令，且提供反饋信息，實(shí)現(xiàn)真正生動(dòng)的交互效果。 　　虛擬現(xiàn)實(shí)（vr)外設(shè)設(shè)備： 二、虛擬裝配的分類　　按照實(shí)現(xiàn)功能和目的的不同，目前針對(duì)虛擬裝配的研究可以分為如下三類：以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配、以工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配和以虛擬原型為中心的虛擬裝配． 　　 　　虛擬裝配是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了更好地幫助進(jìn)行與裝配有關(guān)的設(shè)計(jì)決策，在虛擬環(huán)境下對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行裝配關(guān)系分析的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)．它結(jié)合面向裝配設(shè)計(jì)(DesignForAssembly，DFA)理論和方法，基本任務(wù)就是從設(shè)計(jì)原理方案出發(fā)在各種因素制約下尋求裝配結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解，由此擬定裝配草圖．它以產(chǎn)品可裝配性的全面改善為目的，通過(guò)模擬試裝和定量分析，找出零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不適合裝配或裝配性能不好的結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行設(shè)計(jì)修改．最終保證所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品從技術(shù)角度來(lái)講裝配是合理可行的，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講應(yīng)盡可能降低產(chǎn)品總成本，同時(shí)還必須兼顧人因工程和環(huán)保等社會(huì)因素． 　　 　　針對(duì)產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題，基于產(chǎn)品信息模型和裝配資源模型，采用計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計(jì)，從而獲得可行且較優(yōu)的裝配工藝方案，指導(dǎo)實(shí)際裝配生產(chǎn)．根據(jù)涉及范圍和層次的不同，又分為系統(tǒng)級(jí)裝配規(guī)劃和作業(yè)級(jí)裝配規(guī)劃．前者是裝配生產(chǎn)的總體規(guī)劃，主要包括市場(chǎng)需求、投資狀況、生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)周期、資源分配、裝配車(chē)間布置、裝配生產(chǎn)線平衡等內(nèi)容，是裝配生產(chǎn)的綱領(lǐng)性文件．后者主要指裝配作業(yè)與過(guò)程規(guī)劃，主要包括裝配順序的規(guī)劃、裝配路徑的規(guī)劃、工藝路線的制定、操作空間的干涉驗(yàn)證、工藝卡片和文檔的生成等內(nèi)容． 　　工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配，以操作仿真的高逼真度為特色，主要體現(xiàn)在虛擬裝配實(shí)施對(duì)象、操作過(guò)程以及所用的工裝工具，均與生產(chǎn)實(shí)際情況高度吻合，因而可以生動(dòng)直觀地反映產(chǎn)品裝配的真實(shí)過(guò)程，使仿真結(jié)果具有高可信度． 　　 　　虛擬原型是利用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)在一定程度上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的外形、功能和性能模擬，以產(chǎn)生與物理樣機(jī)具有可比性的效果來(lái)檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)產(chǎn)品特性．傳統(tǒng)的虛擬裝配系統(tǒng)都是以理想的剛性零件為基礎(chǔ)，虛擬裝配和虛擬原型技術(shù)的結(jié)合，可以有效分析零件制造和裝配過(guò)程中的受力變形對(duì)產(chǎn)品裝配性能的影響，為產(chǎn)品形狀精度分析、公差優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可視化手段．以虛擬原型為中心的虛擬裝配主要研究?jī)?nèi)容包括考慮切削力、變形和殘余應(yīng)力的零件制造過(guò)程建模、有限元分析與仿真、配合公差與零件變形、以及計(jì)算結(jié)果可視化等方面． 三、虛擬裝配的構(gòu)成　　虛擬裝配由兩個(gè)部分組成，即由虛擬現(xiàn)實(shí)軟件內(nèi)容（即vr）內(nèi)容和虛擬現(xiàn)實(shí)（vr)外設(shè)設(shè)備 ,這兩個(gè)個(gè)協(xié)同工作，缺一不可，這樣才能制造出交互性與沉浸性于一體的虛擬裝配環(huán)境。通過(guò)建立產(chǎn)品數(shù)字化裝配模型，虛擬裝配技術(shù)在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建近乎實(shí)際的虛擬環(huán)境，可以用虛擬產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)中的物理樣機(jī)，能夠方便的對(duì)產(chǎn)品的裝配過(guò)程進(jìn)行模擬與分析，預(yù)估產(chǎn)品的裝配性能，及早發(fā)現(xiàn)潛在的裝配沖與缺陷，并將這些裝配信息反饋給設(shè)計(jì)人員。從產(chǎn)品裝配過(guò)程來(lái)講，它是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特性、精度特性，真實(shí)的模擬產(chǎn)品三維裝配過(guò)程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實(shí)模擬裝配過(guò)程，以檢驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配性。虛擬裝配技術(shù)發(fā)展滯后，使得虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用性大大減弱，因此對(duì)虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展也就成為目前虛擬制造技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)研究的主要對(duì)象，這一問(wèn)題的解決將使虛擬制造技術(shù)形成一個(gè)完善的理論體系，使生產(chǎn)真正在高效、高質(zhì)量、短時(shí)間、低成本的環(huán)境下完成，同時(shí)又具備了良好的服務(wù)。