微系统技术的概念、应用及发展论文

2017-03-18

微系统技术的概念、应用及发展全文如下：

1. 背景

最近几年里，在微机系统技术方面具有广泛的研究，普遍认为在未来的十年间微型单元的微机系统和增加对微型设备的应用有很好的发展趋势。分析家预测在未来的几年间微系统技术在设备制造方面将产生深远的影响。

微系统技术还被作为微型机械电子系统技术。微型机械电子系统是用小型机械和电子结构结合在一个系统上来命名的。微机系统技术是80年代出现的，在过去的十年里得到了很好的发展，并且被认为将成为21世纪最终要的技术之一。微型化的优点有很多，微电子的成功就很好地证明了这一点。

微型设备的小尺寸使得器械越来越小、越来越紧凑，并且便于携带，同时也能手动操作。当各种功能结合在一起时，设备的功能也增加了，比如：感应器、扬声器和控制器被集成在同一微型设备上。由于它们有个高频共振频率，微型机械传感器有个动态范围和快速响应时间。在微小热交换方面能够更加快速、有效地发生，就像一个微型测量设备。

微型机械电子系统现在正处于产品即将进入市场竞争的发展阶段。微型机械电子系统在全球市场的销售额到2002年将达到3.8亿，到2005年将达到5亿。微系统技术的应用领域覆盖了一个很广的范围，从电子学到光学，从化学到生物技术和医疗工程。

而且，微型机械电子系统是个类似于集成电路批量制作的技术。硅晶体是个应用很广的材料。由于大批量生产属性和高额材料费用，硅晶体的一个缺点是昂贵的价格。

微机系统技术大范围的发展依赖于能够经济可靠地制造成型微小单元的加工系统。聚合体微小化技术，如，微成型技术就是一个低成本生产微小单元的微系统技术。

微成型作为注射成型的一个新分支，目前还处于幼年阶段。它不只是测量某个东西，挑战全新领域的专门技术。成型机械，设备(工具)，材料和工艺参数，以及成分的选取与检测都需要特别的研究。

为了面对微型化的挑战，Gintic开始着手通过一个整体程序发展聚合体的微型制造发展核心方面来研究微成型流程的发展。

2. 目的

工程的目的是发展塑料微注射成型工艺技术，通过利用大量的新兴高分子塑料高效率生产大量产品。

3. 方法论

微注射成型实验研究的是在最大注射量为1 毫升的微成型机械设备上进行的。微单元是利用塑料工程技术设计制造的。

3.1. 单元设计及材料选择

两种微单元在工程中的研究指的是制件相关的最大体积的单元和微型设备，以及微小体积的微单元。

微型设备单元的研究是镜片组排列顶部和底部的19个微小镜片的表面设计。这种微镜片组排列被广泛利用到两道激光束继承光纤的工业上。选择具有良好光学、机械和工艺性能的PC(聚碳酸酯)作为这种单元的聚合体材料。

一些微小单元的研究主要是一系列微齿轮的研究。微齿轮在手表，微型泵体，微型传递系统工业上具有很好的发展前景。三种直径从1厘米到3厘米的微齿轮被运用到微型单元的成型研究上。这三种微齿轮的聚合体材料是聚苯醛。

3.2. 微成型机械、微成型设备及仿真研究

目前研究的微注射成型机械是如图(1)所示的由Battenfeld公司生产的微系统@R50.该成型机械的注射系统是由一个螺杆式挤压机构和一个活塞机构组成的传统注射系统。通过利用螺杆式塑化系统，能够用作利用精确脉冲信号控制注射量精确度的小直径泵体熔融注射。

两种微成型分别为生产镜片组排列和齿轮单元设计制造的。被用作两种成型的成型基础是具有工装尺寸为120毫米*160毫米的同一性。微镜片组排列模具是具有一个三分型面，一型腔能够轻松自动移动的模具，如图1.所示，微齿轮模具是一个能够相互变换成型插件的整体模具。一个两型腔插件能够同时成型两个同样的齿轮单元。

微型(DOE)电火花线切割技术被用来成型插件的生产制造上。直径为10微米的电极丝被用作电火花线切割加工像齿尖这样单眼的电极材料。

模具填充方针是为了研究聚合体树脂注入微型模具的过程。

3.3 通过实验方法来设计研究

在微注射成型工艺中，有很多特殊的工艺参数，这些参数控制着活塞的移动和熔料筒的设定。这使得优化选择和设定工艺更难像传统注射成型工艺那样进行。为了优化选择工艺，这些重要的工艺参数的影响结果必须在产品生产工艺中确定。目前，实验(DOE)电火花方法的设计研究被甬道微单元的成型工艺研究上。

一部分因子的设计被用到研究中，在两相关面上的因子设计影响每个因素的研究。它们在涉及很多过程参数在整体注射工艺中的初始阶段起着很重要的作用。

3.4 过程监控和最优化选择

在注射成型工艺中，重要的工艺参数的持续监控对工艺优化和工艺控制是很重要的。过程温度和压力被作为注射成型工艺的监控参数，尤其是模具型腔温度和型腔压力。

在微成型过程中，由于型腔尺寸太小，所以很难测试型腔的具体压力。在目前的研究中，通过注射活塞提供的注射压力被监控，以及注射压力曲线和它的整体注射时间被监控，同时也用来监视和控制流程。

数据接受监控系统是为了监控注射压力而设定的，如图表2所示，数据分析在完成，并且这些信息显示在计算机显示器上，同时这些信息作为数据文件被存储到数据接受系统。

3.5 微单元特征和过程注射量研究

微单元检验和特征在统计分析技术和显微镜技术的应用中被完成。应用设备包括一个并行测量仪，一个表面光洁测试仪，一个电子显微镜和一个光学显微镜。

工艺稳定性和注射量研究在微成型工艺中进行，制造单元在优化工艺状态中特别统计分析，从而得到工艺稳定性信息。

4. 应用

4.1. 注射成型微小单元

图3所示的是成型塑料齿轮图片对照剪修纸，也在图中展示了一个直径为3毫米的塑料齿轮的微小照片。

在图4中，一个齿顶圆直径为1毫米的齿轮机构被展示在画面中。从这些小图片中可以刊出这些塑料零件有清晰的结构精度和表面粗糙读。这

些齿轮的齿性结构的直径范围只有几十微米，比人的头发直径还要小。

展示在图5中的是用PC(聚碳酸酯)树脂成型的镜片组排列图片。这些小图片通过SEM展示了在两个不同放大率的镜片组主视面。

成型单元的重量、尺寸和表面质量作为成型单元的质量参数被检查与分析。列在表格1中的是成型单元的一些物理特性。

4.2 工艺参数的影响因素

对于1毫米的微型齿轮轴结构，一个两水平因子的设计被用来研究四个过程参数，测定尺寸、熔化温度、保压时间和模具温度。四个中心点被添加到为了做一个12运动实验的八运动设计中。分析工作是为了实验结果而产生的，成型齿轮的重量和只被用来分析实验设计的响应参数。

零件重量和齿顶圆直径的测量结果，作为过程状态特征被列在图6。从这图中可观察到过程中的重量和齿顶圆直径的响应依照一个相似的样式，也就是，当零件重量很小是，齿顶圆直径也小。这就是说：在成型过程中，齿轮齿顶段是最后被填充的部分，像是一个模具填充仿真结论。如图7所示，齿轮齿顶端作为单元的最后填充部分，同时也是气泡潜在的地方。

对齿轮直径和零件重量的统计(DOE)分析结论作成一个直方图，是为了预测在消除重要性指令是它们之间的相互作用。从表中，可以清楚地知道保压时间和测定尺寸是两个对零件质量有很大影响的过程参数。从表中也可以看出测定尺寸和保压时间的交互作用也会影响齿轮的直径。

对于微型镜片组排列，部分因子的实验设计是大致产生的。研究参数包括模具温度，塑化温度，冷却时间，注射速度，测定尺寸和保压时间。

对于零件重量的统计分析结果作为直方图表被列在图9。从直方图中可发现，微型镜片组的重量是受到测定尺寸的影响的。但是，除了测定尺寸之外，注射速度和模具温度也会严重影响零件的重量。影响零件质量的三个重要过程参数就是测定尺寸，注射速度和模具温度。

在镜片组成型过程中，低注射速度用来减少残留应力应变。在(DOE)研究中柱塞的注射速度被指定为从20毫米每秒到50毫米每秒。既然微注射机的注射浇口一直延伸至没有特别加热的模具中，所以注射浇口的温度介于模具温度和料筒温度之间。这个温度低于料筒温度，因为通常模具温度低于浇口注射温度。如果利用低速注射，在浇口处的温降就会明显，同时塑化粘性也下降很多，从而导致斑点，零件的收缩和热变形。在这种情况下，塑化温度和模具温度可起着一个重要的作用。

4.3 工艺监控与优化选择

工艺优化选择研究已经在微注射成型工艺中进行。既然在齿轮零件质量方面有重大影响的重要因素，被指定为测定尺寸和保压时间。优化选择研究在这两个过程参数对齿轮成型的响应表面进行。

图10所示的是对于直径为1毫米的齿轮轴结构的预计相应表面，以及测定尺寸和保压时间作为变量。从图中可看出，齿轮直径不仅受到测定尺寸和保压时间的影响，还受到这两个工艺参数联合功能的影响。

为了优化选择工艺，实验被用来检验各种测定尺寸和保压时间对零件尺寸的深层影响。数据接收监控系统被用来监控和优化选择微成型工艺。

图11所示的是纪录的在不同测定尺寸注射点的压力曲线。从图中可以看出，当测定尺寸增大是，注射压力也逐渐增大。当测定尺寸小时，既然材料不够填充型腔系统，那么保持压力也不那么重要了。

既然测定尺寸和保压时间之间有重大的干涉，测定尺寸的优化选择工艺受到保压情形的影响。图12所示的是保压时间和测定尺寸在零件质量方面的相互作用现象。在保压作用下，型腔可以填充大约190立方毫米的测定尺寸，当没有保压作用是，大约210立方毫米的型腔测定尺寸需要被填充。

4.4. 过程稳定性和性能

一个稳定工艺在大量生产具有固定质量的产品中是一个重要的先决条件。工艺稳定性研究在利用微镜片组列成型的工程中完成。零件重量和注射压力以及它们与过程时间的综合关系被作为模腔数量的一个功能来监控。

图13和图4所示的是联合在成型细节中不同阶段集合很多成型点的注射压力纪录。从中可以看出，注射压力和综合头几十个成型点是很不稳定的，如图13所示。

随着工艺的继续，注射压力变得更加均衡，同时当过程稳定以后，保持在一个稳定的状态，就如图14所示。对于微注射成型过程，过程性能的研究在工艺稳定后完成。收集样品被研究，并且统计分析工作是为了获得过程信息而执行的。对于成型过程，一个值1.33，通常被认为是一个好的CP价值，是能够被获得的。

5. 结论

通过这项工程，塑料微注射成型方法的性能已经在Gintic被确定。下面所列的是一些重要的成就和工程发现。

原材料是工程塑料重量小于0.6毫克的微单元已经被成功生产出来了。

对于不同的产品设计和聚合物材料，为了能更好流动和填充，应该利用不同模具运动机构。

工艺监控系统对微注射成型方法是非常有用处的。一个监控系统显现微注射成型的整个工艺，并使得工艺参数更敏感，更容易优化选择和控制。

测定尺寸是影响成型零件质量最重要因素之一。测定尺寸和保压之间具有重要的相互作用关系。

由于很多聚合物被用在每个成型点，所以在过程开始阶段稳定性是很差的，但是当步骤已经稳定之后，一个好的工艺就会获得。

6. 在工业中的重要性

微注射成型方法在微型机械电子系统中有很好的发展空间。希望微系统技术更快发展的领域包括信息和专门的光学数据交流，化学微反应技术，生物工程学，环境感应器，电子装备和连接技术。

生物医学分支是最大发展潜力的领域致意，同时对于微型机械电子系统来说，是重要的应用领域。

微成型性能和方法技术在发展这项工程中已经形成一定技术基础，并且将在以后微制造工业在本地的制造工业中开拓出一个广阔的市场。