微系统制造中的3维微成形技术

　　1　微系统的定义

　　目前,国内外对微系统尚无统一定义。笔者章维一将微系统定义为狭义和广义2种层次[1]。狭义微系统的定义是:在牛顿力学起作用的范围内,由尺寸变小而致物理法则与常规(宏观)者不同的系统。广义微系统指的是:(1)本身尺寸很小的系统;(2)本身尺寸不算小,但其作用对象很小的系统,如:对细胞作业的系统;(3)利用高集成度原则,把原来的笨重设备变成可携式的系统,如:袖珍化学分析仪器;(4)利用微制造技术制造出来的、具有某些特定性能的东西,如:带有人工微浮雕的仿荷叶表面,它也具有“出污泥而不染”的性质,从而能用于要求容易去污的场合。

　　1·1　微系统与宏(常规)系统的联系与区别

　　微、宏系统的相通之处是都适用牛顿力学的物理体系,而且宏系统中的部分规律可延伸适用于微系统。但笔者认为它们之间仍存在本质区别:(1)物理法则不同。若在2个系统中有几种同样的因素在起作用、但各因素对系统影响的排序不同,则称这2个系统的物理法则不同。导致物理法则不同的原因有几何(尺寸、形状)的、物性(材质、场)的和结构(几何与物性耦合)的;通常说得最多的是尺寸原因,即尺寸效果。(2)系统行为不同。当尺寸变小时,系统的运动易由连续转为间歇,由平稳转为突发,由较易预测转为较难预测。(3)制造、检测手法不同。

　　1·2　微系统与微电子的联系与区别

　　微系统当然包括微电子系统,但考虑到微电子技术已非常成熟,通常所说的微系统是指微电子以后的微系统。它们在使用上有如下区别:

　　(1)自然规律的广度。微电子主要运用电、磁规律,而微系统则加入机(包括固体和流体)、光、热、声、化学、生物等一切可能的规律。

　　(2)处理对象。微电子主要处理信息,而微系统还要处理能量和物质(如:化学药剂)。

　　(3)与环境的关系。微电子基本上与环境是隔绝的,主要处理内部信息,而微系统则强调与环境的交流。

　　基于微系统与微电子的不同点,笔者认为在其设计、制造上应有附加要求,即在原理、材料和结构设计中,要综合计入机械(固体、流体)、光、热、声、化学、生物等性能。要引入能量、物质的传输、存储、变换功能单元。如:机械能的变换需作动器,存储需弹簧,传输需运动机构;化学药剂的传输需泵和管路,存储需存储器,反应需混合器和反应器等。要有与环境沟通的窗口,为此,在设计和封装上要有相应措施。

　　2　3维微成形技术(3D Fabrication)

　　微系统现阶段的主流制造技术是借用微电子的集成电路(IC)工艺。作为微系统制造技术时,IC工艺特别适合于微细化及大批量生产;可使用多种材料且可制出电、磁、光等回路;不需单独的装配工序即能获得运动机构;工艺已实现了自动化。但是,其小批量生产的经济性不良,即周期长、成本高、设备投资大;制得的形状和获得的运动是准平面型的,从而在质的方面诸多地限制着微系统向更高级发展。克服这些基本缺点是微系统在形成属于自身的制造技术的努力中必需解决的主要内容。下述技术是有代表性的。