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附录A 译文
合规机制的微观实现：
制造工艺和组成材料-A综述
摘要
兼容的微机械（CMM）从弹性构件的偏转中获得移动性，并且已被数百万个硅MEMS器件证明是最稳健的。然而，硅的有限偏转阻碍了更复杂的CMM的实现，这通常需要更大的挠度。最近，出现了一些新颖的不为社区所熟知的制造工艺。本文综述了CMM的实现，旨在帮助机械设计人员快速找到适合其CMM设计的实现方法。为此，对调查的文献进行了分类和统计分析，并单独总结了代表性过程，以反映CMM制造的最新技术。此外，将每个过程的特点收集到表格中，以方便读者参考，并讨论了过程选择的准则。综述结果表明，尽管硅工艺仍然占主导地位，但微模、SU-8工艺、激光烧蚀、3D打印、CNT框架等聚合物相关和复合材料相关工艺的发展取得了很大进展。这些过程导致组成材料具有比硅更低的杨氏模量和更大的最大允许应变，因此允许更大的挠度。还应考虑实现方法的几何能力（例如，长宽比），因为不同类型的CMM具有不同的要求。我们的结论是，SU-8工艺、3D打印和碳纳米管框架由于其优异的综合能力，在未来将发挥更重要的作用。
关键词：合规微观力学， 制造工艺， 组成材料。
1介绍
自20世纪60年代以来，一种称为“小型化”的趋势越来越受欢迎，创造了许多新的领域，如集成电路，纳米技术和微机器人。受这一趋势的启发，微机电系统（MEMS）被确立为实现微系统集成的独立领域。经过大约半个世纪的发展，MEMS技术已成功应用于许多商业产品，如微型传感器，数字光处理器和微型扬声器。这些产品已经渗透到日常生活中，并推动了一场新的工业革命[1]。尽管取得了巨大的成功，但越来越多的MEMS器件正在开发中，预计将对不同的领域产生重大影响，例如纳米和生物操作，显微外科手术，微机器人，微流体学，微能量，精密机制等[2-7]。在机械领域，微观力学可以通过组装不同类型的刚体接头或使用兼容的设计来实现。鉴于摩擦、磨损和随之而来的故障是微观尺度上的重要问题，并且迄今为止，还没有可用的润滑方法，几乎所有成功的MEMS器件都采用了兼容机制[8-12]，以规避刚体关节的挑战[13，14]。
顺应机构是通过使用弹性变形而不是刚体关节来实现移动性的机制。因此，这些接头被等效位置的细长梁或深槽所取代[15]。这种弯曲接头只能提供有限的运动，但它们有几个显着的优点，包括消除背隙，摩擦和磨损，以及不需要润滑。此外，它们的整体性消除了对装配的需求，并适应了微加工工艺。此外，微机械的仿生兼容设计是自然界固有的，因为顺应性在微生物领域起着关键作用，这是MEMS适合的水平[16]。因此，当这些机制缩小到微观尺度时，实现合规性是必要的[17]。
迄今为止，一些成功的符合标准的微机械（CMM）设计已被用于许多商业MEMS产品中。例如，在紧凑型MEMS多轴陀螺仪中，多证明质量的同步振荡依赖于顺从的传输机制[18]。MEMS传感器中使用的大多数机制不需要大的偏转，因为它们要么在振荡模式下工作，要么具有非常有限的响应机械运动。然而，大挠度仍然是CMM发展的重要趋势，以满足运动转移或转换的需求。这种CMM的代表性例子包括顺应运动放大器，双稳态机构，层出出现机构（LEM），双V形束悬架，微grippers和定位器[16，19-28]。为了实现更复杂的功能，这些机制被设计为更复杂的结构，而不是悬臂或隔膜[29，30]。与振荡器型振荡器相比，通常需要大挠度来实现功能，例如抓取和操纵。为了缓解压力集中，分布式顺应性越来越受到设计者的青睐，而不是集中顺应性[16]。此外，CMM的发展还倾向于结合新的运动学概念（例如，静态平衡），生物技术，仿生学和机器人技术来适应目标应用[31，32]。综上所述，上述趋势对CMM的制造提出了更严格的要求。
如前所述，与传统的刚体机构相比，三坐标测量机具有许多优点，并且适用于微加工工艺。然而，合规性的使用给设计人员带来了很大的限制。鉴于这种机制从柔性构件获得流动性，其组成材料可以偏转的程度是一个关键的边界条件。因此，CMM必须在可用组成材料施加的约束下进行设计。目前，硅是CMM制造中的主要材料，但它不是实现合规机制的理想材料[33]。常用多晶硅的收率菌株约为1%;相比之下，聚丙烯是宏观尺度合规机制中常用的材料，在屈服前可以达到2.5%[34，35]。此外，一旦硅达到其屈服应变，就会发生失效，而如果允许塑性变形，聚丙烯的最大应变超过10%-20%[36]。因此，设计人员在尝试以有限的偏转实现特定运动时，会承受明显的负担。除了很大的灵活性外，用于生物操作或手术目的的一些机制必须使用生物相容性材料制造。显然，这些应用的跨学科方面进一步混淆了设计人员在选择组成材料和制造工艺方面的问题。
除硅工艺外，其他工艺，例如聚合物和复合材料工艺，已被用于制造CMM，并且正在迅速发展。这些新兴候选人更有前途，但并不为人所知。尽管微细加工已经在几份报告中进行了回顾，但这些论文侧重于微观结构或特定类型的MEMS器件，或者仅研究了传感器中使用的振荡器型CMM[37-39]。因此，这些综述论文没有捕捉到CMM制造的最新发展;因此，有必要回顾CMM制造过程的现状，以帮助设计师实现他们的想法。
本报告的目的是审查在CMM制造中报告的制造工艺和组成材料。制造工艺的关键特征和材料的机械性能已被汇编成表格，有望帮助设计人员快速确定合适的制造工艺和组成材料，以实现其设计。在早期阶段，这次审查将对设计师产生潜在影响。相反，它还将鼓励流程开发人员使其流程适应CMM趋势。此外，这种相互作用将有利于CMM的发展，并在不久的将来增加其应用。
本报告的其余部分组织如下。第2部分概述了文献调查，分类和统计分析中使用的方法，以及用于评估制造工艺和组成材料的标准。第3部分介绍了文献调查的统计结果，总结了一些代表性过程，并将材料性质和过程特征汇编成信息表。此外，还对结果进行了解释，并讨论了CMM制造的未来方向和挑战。第4节提出了主要结论，并检查了它们在设计师方面的实际价值。
2方法
2.1文献调查和分类中使用的方法
文献调查分为两部分。在第一部分中，对与CMM制造相关的文章进行了文献检索。文献检索涵盖了具有微尺度特征的合规机制，即一些关键部件的尺寸（例如，细长光束的宽度）在几微米到几百微米的范围内。然而，振荡器型MEMS传感器被排除在文献调查之外（例如，加速度计，陀螺仪，气压计等），因为这种振荡器型传感器要么被设计为悬臂状的简单结构，要么经历有限的偏转。第二部分涉及基于制造工艺和组成材料的分类。
文献调查是使用Web of Science进行的，涵盖期刊论文，论文和会议论文集。使用了四组不同的关键字：（1）符合微观机制，（2）制造工艺，（3）组成材料和（4）应用领域。表 1 提供了该组关键字的概述。为了优化搜索，所有关键字集都已合并并缩小。此外，还审查了这些条款的参考文献，以确定关于同一主题的相关文章。根据文章的标题过滤结果。随后，通过阅读全文对减少的结果进行过滤，以确认所报告的机理表现出微观尺度的特征，并揭示了所使用的制造工艺。否则，这些条款就不被使用。
搜索结果根据制造工艺进行分类。制作了八组：表面微加工，批量微加工，激光微加工，线材放电加工（EDM），SU-8，微成型，碳纳米管（CNT）框架和3D打印。然而，这种分类不够狭窄，不足以阐明工艺特征和材料特性。一些制造工艺可用于不同的材料，反之亦然。此外，工艺特征由工艺本身以及所处理的材料决定。因此，根据所涉及的组成材料，将结果进一步分类到每个工艺组中。在本文的其余部分中，将阐明有关此类工艺- 材料组合的工艺特征和材料特性。
2.2 结果评估中使用的标准
为了评估和比较这些工艺-材料组合，从文献中提取工艺特征和材料特性并收集到表格中。根据最小特征分辨率、结构层最大厚度、纵横比、制造偏差和制造成本对工艺进行了评估，而材料特性包括杨氏模量、泊松比、破坏强度和最大允许应变。每个标准及其对CMM制造的影响如下描述。
最小的功能分辨率。最小特征分辨率是指图案中可通过特定制造工艺实现的最小长度。在很大程度上，这决定了过程的精度。
结构层的最大厚度。大多数CMM具有平面结构。因此，可以实现的结构厚度是另一个关键参数。结构层的厚度与工艺密切相关。通常，该过程对结构有厚度限制。
纵横比。纵横比定义为最大结构厚度与最小特征分辨率之间的比率。作为平面机构的一个关键特征，它决定了面内刚度与面外刚度的比值。大于 20 的纵横比定义为高纵横比。
制造偏差。制造偏差决定了过程的准确性。小于5%的制造偏差被定义为'低'，而大于5%的值被定义为'高'。
制造成本。通过相对比较，所有过程的制造成本都被估算并标记为'高'和'低'。
杨氏模量和泊松比。杨氏模量和泊松比是设计顺应机构时最重要的机械性能。通常，较低的杨氏模量是有利的，因为如果挠度保持不变，它与所需的致动力成正比。
故障强度。失效强度定义为发生失效的应力。该定义在执行方面有很大的不同。例如，失效强度不仅取决于材料本身，还取决于所使用的制造工艺。为了解决这个问题，我们选择列出最广泛接受的值。
最大允许应变。对于CMM设计人员来说，最大允许应变是最重要的边界条件之一，因为它直接决定了可以实现的最大变形。一些广泛使用的材料如硅的典型值已在文献中报道。其他材料的最大允许应变是通过将破坏强度除以杨氏模量而获得的。
3结果和讨论
3.1 三坐标测量机制造的最新技术
大约发现了170篇关于CMM制造的论文。各种工艺已用于CMM的制造，包括表面微加工，批量微加工，激光微加工，线切割放电加工，微成型，SU-8，CNT框架和3D打印。图1（a）显示了对所报告的论文进行制造过程的统计分析的结果。很明显，硅工艺是CMM最广泛使用的制造方法，这些论文中大约有2/3的CMM是使用硅工艺制造的，无论是通过表面微加工还是批量微加工。这与完全开发的硅MEMS技术和完整的硅加工基础设施密切相关。然而，其他工艺也占很大比例，这表明它们对CMM制造的发展做出了贡献。激光烧蚀和线切割放电加工也被用来实现一些具有微观尺度特征的机制，尽管传统上，它们与宏观尺度特征相关联。此外，微成型和SU-8加工也经常用于CMM的制造。值得注意的是，近年来，CNT框架和3D打印已成为促进具有非凡材料特性的额外工艺能力的技术。另一种说法是，与传统的振荡器型MEMS传感器相比，CMM的制造具有更多的多样性。
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图 1. 文献中CMM的统计结果（a）与制造工艺有关，（b）与组成材料有关（每列顶部的数字分别代表每种制造工艺或组成材料找到的纸张数量） |
搜索结果还根据所使用的组成材料进行了统计分析（图1（b））。不出所料，多晶硅和单晶硅合计占所有论文的近2/3。此外，硅，金属和金属合金具有最大的部分，用于激光烧蚀，线切割放电加工和微成型。此外，在CMM制造中，聚合物和复合材料的利用趋势很强，这导致杨氏模量要低得多，最大允许应变更大。一些光聚合物，如SU-8，R11和IP-Dip，由于其机械性能和易于制造，是制造CMM的首选。由于碳纳米管的增强，由CNT框架产生的CNT复合材料在顺应变形中表现出非凡的性能。从组成材料的角度来看，非硅材料正在迅速发展，尽管硅仍然是最常用的材料。
3.2 代表性流程摘要
为了对各种工艺和常用材料的异同有有据，确定了八组：表面微加工，批量微加工，激光微加工，线切割放电加工，微成型，SU-8工艺，CNT框架和3D打印。下面介绍了每个组的基本特征。
3.2.1 表面微加工
表面微加工是一种添加剂工艺，其中通过薄膜沉积形成微观结构，然后进行选择性蚀刻。一些商业化的表面微加工工艺，如全环效应和SUMMiT，已经产生了几种出色的刚接缝微机械，如铰链、接头和齿轮系[11]。这些过程在实现合规机制方面也受到高度青睐[40]。不出所料，多晶硅是表面微加工中使用最广泛的结构材料。由于薄膜沉积技术的局限性，传统的结构多晶硅层非常薄，通常小于10mu;m。事实上，在外延多晶技术的发展之后，厚度增加到15-50mu;m，但它主要用于制造振荡器型传感器[41]。因此，我们专注于基于两种商业化工艺的CMM制造，即全环效应和SUMMiT。
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图 2. 由MUMP（a，b，c）和SUMMiT（d，e，f）制造的一些CMM：（a）Masters等人的自缩回完全兼容双稳态机制[20]（copy;IEEE.经IEEE许可改编。重用的许可必须从权利持有人处获得），（b）Dechev等人的合规微处理器[50]（copy;IEEE.经IEEE许可改编。重复使用的许可必须从权利持有人处获得），（c）Aten等人的自重新配置变质纳米注射器[42]（copy;AIP.经AIP许可改编。重复使用的许可必须从权利持有人处获得），（d）行程放大器与静电致动器的组合，由Kota等人[51]（copy;IEEE.经IEEE许可改编。重复使用的许可必须从权利持有人处获得），（e）带有力计的热致动器，由Wittwer等人[19]（copy;爱思唯尔。经爱思唯尔许可改编。重复使用的许可必须从权利持有人处获得），（f） Chen等人的完全顺应的双张力三稳态微观力学[40]（copy;IOP.经 IOP 许可改编。重复使用的许可必须从权利持有人处获得） |
图2显示了使用MUMP和SUMMiT制造的一些CMM的图像。
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