微细与超微细加工技术.ppt

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1、第三章 先进制造工艺技术,第六节 微细与超微细加工技术,一、概述,微细加工 通常指1mm以下微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.1m 10m。超微细加工 通常指1m以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.01m 0.1m。精度表示方法一般尺寸加工，其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值表示。“加工单位”去除一块材料的大小，对于微细加工，加工单位可以到分子级或原子级。微切削机理切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。,主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。刀具：多用单晶金刚石车刀、铣刀。铣刀的回转半

2、径（可小到5m）靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到。当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形的切削面。,二、微细机械加工,微小位移机构，微量移动应可小至几十个纳米。高灵敏的伺服进给系统。要求低摩擦的传动系统和导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。低热变形结构设计。刀具的稳固夹持和高的安装精度。高的主轴转速及动平衡。稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。具有刀具破损检测的监控系统。,微细机械加工设备,FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工机床,机床有X、Z、C、B四个轴，在B 轴回转工作台上增加A轴转台后，可实现5轴控制，数控系统的最

3、小设定单位为1nm。可进行车、铣、磨和电火花加工。旋转轴采用编码器半闭环控制，直线轴则采用激光全息式全闭环控制。为了降低伺服系统的摩擦，导轨、丝杠螺母副以及伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压结构。,FANUC 微型超精密加工机床,载流导体：逆压电材料（如压电陶瓷PZT）电场作用引起晶体内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。磁致伸缩材料（如某些强磁材料）磁场作用引起晶体发生应变。,直接线性驱动（直线电机驱动）,电磁驱动装置（直线电机）工作原理,直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）,直线驱动与伺服电机驱动比较,电极线沿着导丝器中的槽以510mm/min的低速滑动，可

4、加工圆柱形的轴。如导丝器通过数字控制作相应的运动，还可加工出各种形状的杆件。,线放电磨削法（WEDG）,三、微细电加工,电子束光刻大规模集成电路加工过程,光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）,要求：定位精度 0.1m，重复定位精度 0.01m导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨工作台：粗动 伺服电机+滚珠丝杠 微动 压电晶体电致伸缩机构,工作台微动的形成：X运动：Py1 Py2 Px长度变化Y运动：Py1 Py2 Py1长度变化Z转动：Py1 Py2,加工设备（电子束光刻大规模集成电路）,利用氩（Ar）离子或其它带有 10keV 数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击

5、”工件表面，进行“溅射”加工。,四、离子束加工,将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。,离子束溅射去除加工,四种工作方式,离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动），金刚石刀具和冲头的刃磨，大规模集成电路芯片刻蚀等。,离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。,离子束溅射镀膜加工,用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”。又被称为“干式镀”,离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿命1-2倍。,溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，

6、故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。,用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在工件中（置换原子或填隙原子），从而改变工件材料和性质。可用于半导体掺杂（在单晶硅内注入磷或硼等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电池制作），金属材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。,离子束溅射注入加工,离子束曝光,用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率。,通常指纳米级（0.1nm100nm）的材料、设计、制造、测量和控制技术。纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律

7、。量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。,纳米技术研究的主要内容,纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理、化学性能检测；纳米级加工；纳米材料；纳米级传感与控制技术；微型与超微型机械。,五、纳米技术,扫描隧道显微测量（STM）,扫描隧道显微镜1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作的G.Binning 和 H.Rohrer 发明，可用于观察物体 级的表面形貌。被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一，1986年因此获诺贝尔物理学奖。,STM工作原理基于量子力学的隧道效应。当两电极之间距离缩小到1nm时，由于粒子波动性，电流会在外加电场作用下，穿过绝缘势垒，从一个电极流向另一个

8、电极。当一个电极为非常尖锐的探针时，由于尖端放电使隧道电流加大。,G.Binning H.Rohrer,STM,STM工作过程演示,STM实物照片,通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样,石墨三维图像,用STM移动分子组成的IBM字样,用STM观察石墨原子排列,当探针与试件表面距离达1nm时，形成隧道结。当偏压Ub小于势垒高度时，隧道电流密度为：,式中 h 普郎克常数；e 电子电量；ka，k0 系数。,由上式可见，探针与试件表面距离 d 对隧道电流密度非常敏感，这正是STM的基础。,两种测量模式,关键技术：（1）STM探针金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰

9、，曲率半径为10nm左右。,STM针尖,（2）隧道电流反馈控制,（3）纳米级扫描运动压电陶瓷扫描管,（4）信号采集与数据处理由软件完成。,压电陶瓷扫描管结构及工作原理,当陶瓷管内壁接地，X轴两外壁电极电压相反时，陶瓷管一侧伸长，另一侧缩短，形成X方向扫描。若两外壁电极电压相同，则陶瓷管伸长或缩短，形成Z方向位移。,压电陶瓷扫描管结构见图。,原子力显微镜（AFM）,当两原子间距离缩小到 级时，原子间作用力显示出来，造成两原子势垒高度降低，两者之间产生吸引力。而当两原子间距离继续缩小至原子直径时，由于原子间电子云的不相容性，两者之间又产生排斥力。,AFM两种测量模式：接触式探针针尖与试件表面距离0

10、.5nm，利用原子间的排斥力。由于分辨率高，目前采用较多。其工作原理是：保持探针与被测表面间的原子排斥力一定，探针扫描时的垂直位移即反映被测表面形貌。非接触式探针针尖与试件表面距离为0.51nm，利用原子间的吸引力。,为解决非导体微观表面形貌测量，借鉴扫描隧道显微镜原理，C.Binning 于1986年发明原子力显微镜。,AFM探针被微力弹簧片压向试件表面，原子排斥力将探针微微抬起。达到力平衡。AFM探针扫描时，因微力簧片压力基本不变，探针随被测表面起伏。,AFM结构,在簧片上方安装STM探针，STM探针与簧片间产生隧道电流，若控制电流不变，则STM探针与AFM探针（微力簧片）同步位移，于是可

11、测出试件表面微观形貌。,AFM实物照片,扫描探针,磁盘图像,精密传感器,Capacitance,LVDI,Optical Lever,Optical Scale,高精度双轴定位平台,气浮导轨,X-Y微动平台,X-Y-PZT微动平台,PZT Drive外机构：Z-x 两自由度运动中机构：X-y-Y-z 四自由度运动,六自由度微动台技术,小型恒温恒湿控制隔振腔,1）以同步加速器放射的短波长（1nm）X射线作为曝光光源，在厚度达0.5mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体；2）用曝光蚀刻图形实体作电铸模具，生成铸型；3）以生成的铸型作为模具，加工出所需微型零件。,LIGA由深层同步X射线光刻、电铸成形、塑注成形组合而成。包括三个主要工序：,LIGA工作现场,LIGA特点,用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等可以制作高度达0.10.5mm，高宽比大于200的三维微结构，形状精度达亚微米,LIGA代表产品及应用,微传感器、微电机、微机械零件、微光学元件、微波元件、真空电子元件、微型医疗器械等广泛应用于加工、测量、自动化、电子、生物、医学、化工等领域,可以实现大批量复制，成本较低,本节结束,