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超精密加工技术超精密加工技术现在学习的是第1页，共52页2 2 1 精密加工与超精密加工精密加工与超精密加工微细和超微细加工微细和超微细加工3 3纳米加工纳米加工现在学习的是第2页，共52页一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。超精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。概述概述瓦特改进蒸汽机 镗孔精度 1mm 20 世纪 40 年代 最高精度 1m 20 世纪 末 精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工）超精密加工：0.01m，Ra 0.001m（纳米加工）微细加工 微小尺寸的精密加工 超微细加工 微小尺寸的超精密加工现在学习的是第3页，共52页一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术 零件 加 工 精 度 表面粗糙度 激光光学零件 形状误差 0.1m Ra 0.010.05m 多面镜 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁头 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁盘 波度 0.01 0.02m Ra 0.02m 雷达导波管 平面度垂直度误差 0.1m Ra 0.02m 卫星仪表轴承 圆柱度误差 0.01m Ra 0.002m 天体望远镜 形状误差 0.03m Ra 0.01m 表1 几种典型精密零件的加工精度 几种典型精密零件的加工精度（表1）精密加工与超精密加工的发展（图1）现在学习的是第4页，共52页一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术图1 精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）现在学习的是第5页，共52页一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术 精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志 例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm 精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键 例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4m减小1m，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍 精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点 精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展q 精密与超精密加工地位现在学习的是第6页，共52页一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术结合加工 分类 加工机理 加工方法示例去除加工电物理加工 电火花加工（电火花成形，电火花线切割）电化学加工 电解加工、蚀刻、化学机械抛光力学加工 切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工热蒸发（扩散、溶解）电子束加工、激光加工附着加工注入加工化学 化学镀、化学气相沉积电化学 电镀、电铸热熔化 真空蒸镀、熔化镀化学 氧化、氮化、活性化学反映电化学 阳极氧化热熔化 掺杂、渗碳、烧结、晶体生长力物理 离子注入、离子束外延连续加工热物理 激光焊接、快速成形化学 化学粘接变形加工热流动 精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工粘滞流动 精密铸造、压铸、注塑分子定向 液晶定向表2 精密与超精密加工分类现在学习的是第7页，共52页一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术 直直接接式式进进化化加加工工：利利用用低低于于工工件件精精度度的的设设备备、工工具具，通通过过工工艺手段和特殊工艺装备，加工出所需工件。适用于单件、小批生产。艺手段和特殊工艺装备，加工出所需工件。适用于单件、小批生产。间间接接式式进进化化加加工工：借借助助于于直直接接式式“进进化化”加加工工原原则则，生生产产出出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件。适用于批量生产第二代工作母机，再用此工作母机加工工件。适用于批量生产。“进化”加工原则 背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。微量切削机理 特种加工与复合加工方法应用越来越多 传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法。q 精密与超精密加工特点精密与超精密加工特点现在学习的是第8页，共52页一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术 要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大。形成综合制造工艺 广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。与自动化技术联系紧密 精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备）。与高新技术产品紧密结合 加工与检测一体化 精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精密与超精密加工的关键。现在学习的是第9页，共52页现在学习的是第10页，共52页现在学习的是第11页，共52页一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术 切削在晶粒内进行切削在晶粒内进行 切削力原子结合力（剪切应力达切削力原子结合力（剪切应力达 13000 N13000 N/mmmm2 2）刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 高高速速切切削削（与与传传统统精精密密切切削削相相反反），工工件件变变形形小小，表表层层高高温温不不会会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量金刚石超精密加工技术 用用于于铜铜、铝铝及及其其合合金金精精密密切切削削（切切铁铁金金属属，由由于于亲亲合合作作用用，产产生生“碳化磨损碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量），影响刀具寿命和加工质量）加工各种红外光学材料如锗、硅、加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnSZnS和和ZnSeZnSe等等 加工有机玻璃和各种塑料加工有机玻璃和各种塑料 典典型型产产品品：光光学学反反射射镜镜、射射电电望望远远镜镜主主镜镜面面、大大型型投投影影电电视视屏屏幕幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等 应用 机理、特点现在学习的是第12页，共52页一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术 加工设备 要要求求高高精精度度、高高刚刚度度、良良好好稳稳定定性性、抗抗振振性性及及数数控功能等。控功能等。关键技术图2 Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器如如美美国国MooreMoore公公司司M-M-18AG18AG金金刚刚石石车车床床，主主轴轴采采用用空空气气静静压压轴轴承承，转转速速50005000转转/分分，径径跳跳0.1m0.1m；液液体体静静压压导导轨轨，直直 线线 度度 达达 0.05/100mm0.05/100mm；数数 控控 系系统分辨率统分辨率0.01 0.01。现在学习的是第13页，共52页车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。图3 T形布局的金刚石车床 T形布局（图3）一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术现在学习的是第14页，共52页 金刚石车床主要性能指标（表3）数控系统分辩率/m40020050001000050000.10.010.2/1000.10.11/1502/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度/mm最高转速 r/mm最大进给速度mm/min重复精度(2)/m主轴径向圆跳动/m滑台运动的直线度/m主轴前静压轴承（100mm）的刚度/（N/m）主轴后静压轴承（80mm）的刚度/（N/m）纵横滑台的静压支承刚度/（N/m）表3 金刚石车床主要性能指标主轴轴向圆跳动/m横滑台对主轴的垂直度/m一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术现在学习的是第15页，共52页 金刚石刀具 超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石 金金刚刚石石的的晶晶体体结结构构：规规整整的的单单晶晶金金刚刚石石晶晶体体有有八八面面体体、十十二二面面体体和和六六面面体体，有有三三根根4 4次次对对称称轴轴，四四根根3 3次次对对称称轴轴和和六六根根2 2次次对对称称轴轴（图（图4 4）。）。a）4 次对称轴和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2 次对称轴和（110）晶面c）3 次对称轴和（111）晶面图4 八面体的晶轴和镜晶面一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术现在学习的是第16页，共52页 金刚石刀具刃磨金刚石刀具刃磨 通常在铸铁研磨盘上进行研磨通常在铸铁研磨盘上进行研磨 晶向选择应使晶向与主切削刃平行晶向选择应使晶向与主切削刃平行 圆角半径越小越好（理论可达到圆角半径越小越好（理论可达到1nm1nm）一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术单晶金刚石456.46.412AA66A-A35RR=1.64.86.46.45B16B-B110120RR=0.51.2B000000000图6 金刚石刀具角度金刚石刀具角度（图金刚石刀具角度（图6 6）现在学习的是第17页，共52页金刚石车床加工4.5mm陶瓷球一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术图7 金刚石车床及其加工照片单点金刚石车床加工铜工件 单点金刚石车床的非球面光学超精密加工现在学习的是第18页，共52页 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）可可加加工工各各种种高高硬硬度度、高高脆脆性性金金属属及及非非金金属属材材料料（铁铁金金属属用用CBNCBN）耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高 磨削力小，磨削温度低，加工表面好磨削力小，磨削温度低，加工表面好 特点：分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行 常用方法常用方法 用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状；用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状；电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可在线修整在线修整 砂轮修整：超硬磨料砂轮精密与超精密磨削一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术现在学习的是第19页，共52页进给图8 ELID磨削原理电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷 ELID（Electrolytic In-Process Dressing）使使用用ELIDELID磨磨削削，冷冷却却液液为为一一种种特特殊殊电电解解液液。通通电电后后，砂砂轮轮结结合合剂剂发发生生氧氧化化，氧氧化化层层阻阻止止电电解解进进一一步步进进行行。在在切切削削力力作作用用下下，氧氧化化层层脱脱落落，露露出出了了新新的的锋锋利利磨磨粒粒。由由于于电电解解修修锐锐连连续续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术现在学习的是第20页，共52页砂砂带带：带带基基材材料料为为聚聚碳碳酸酸脂脂薄薄膜膜，其其上上植植有细微砂粒。有细微砂粒。砂砂带带在在一一定定工工作作压压力力下下与与工工件件接接触触并并作作相相对对运动，进行磨削或抛光。运动，进行磨削或抛光。有有开开式式（图图9 9）和和闭闭式式两两种种形形式式，可可磨磨削削平平面面、内内外外圆圆表表面面、曲曲面面等（图等（图1111）。）。接触轮硬磁盘装在主轴真空吸盘上图9 砂带磨削示意图V砂带砂带轮卷带轮F-径向进给f-径向振动 精密与超精密精密与超精密砂带磨削砂带磨削一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术现在学习的是第21页，共52页图图1010 用于磨削管件的用于磨削管件的砂带磨床（砂带磨床（带带有行星系统）有行星系统）一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术现在学习的是第22页，共52页 几种常见砂带磨削方式（图11）图11 几种砂带磨削形式a）砂带无心外圆磨削（导轮式）工件导轮接触轮 主动轮砂带工件 接触轮主动轮砂带b）砂带定心外圆磨削（接触轮式）c）砂带定心外圆磨削（接触轮式）工件接触轮主动轮砂带接触轮砂带工件d）砂带内圆磨削（回转式）工件支承板主动轮砂带工作台e）砂带平面磨削（支承板式）f）砂带平面磨削（支承轮式）支承轮工件砂带接触轮一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术现在学习的是第23页，共52页 砂带磨削特点1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（Ra 值可达 0.02m）。3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。磨粒规格涂层粘接剂基带图12 静电植砂砂带结构2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（图12），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术现在学习的是第24页，共52页工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)图13 弹性发射加工原理抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转造成磨料的“弹性发射”进行加工。工作原理（图工作原理（图1313）机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用 弹性发射加工弹性发射加工 游离磨料加工 抛光轮：抛光轮：由由聚聚氨氨基基甲甲酸酸（乙乙）酯酯制制成成，磨磨料料直直径径 0.10.10.01m0.01m一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术现在学习的是第25页，共52页 工作原理（图工作原理（图1414）抛抛光光工工具具上上开开有有锯锯齿齿槽槽，靠靠楔楔形形挤挤压压和和抛抛光光液液的的反反弹弹，增增加加微切削作用。微切削作用。机理：微切削作用。机理：微切削作用。抛光工具图14 液体动力抛光小间隙工件工具运动方向抛光液磨粒 工作原理（图工作原理（图1515）活活性性抛抛光光液液和和磨磨粒粒与与工工件件表表面面产产生生固固相相反反应应，形形成成软粒子，使其便于加工。软粒子，使其便于加工。机机理理：机机械械+化化学学作作用用，称称为为“增压活化增压活化”。液体动力抛光液体动力抛光 机械化学抛光机械化学抛光抛光工具活性抛光液图15 机械化学抛光小间隙工件工具运动方向加压一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术现在学习的是第26页，共52页 激激光光由由于于其其优优良良的的特特性性（强强度度高高，亮亮度度大大，单单色色性性、相相干干性性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用。方向性好等）在精密测量中得到广泛应用。可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等；可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等；也可以测量位移，速度，振动，微观表面形貌等；也可以测量位移，速度，振动，微观表面形貌等；还可以实现动态测量，在线测量，并易于实现测量自动化。还可以实现动态测量，在线测量，并易于实现测量自动化。激光测量精度目前可达激光测量精度目前可达0.01m0.01m。q 激光测量一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术现在学习的是第27页，共52页受射透镜平行光管透镜边缘传感闸门电路计数器显示图震荡器伺服系统扫描镜工件测定区光检测器激光发生器 采用平行光管透镜将激光准确地调整到多角形旋转扫描镜上聚焦。通过激光扫描被测工件两端，根据扫描镜旋转角、扫描镜旋转速度，透镜焦距等数据计算出被测工件的尺寸。图16 激光扫描尺寸计量系统 激光高速扫描尺寸计量系统（图16）一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术现在学习的是第28页，共52页图18 双频激光测量系统一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术现在学习的是第29页，共52页恒温恒温要求：1 0.01 实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒温油喷淋）恒恒 湿湿要 求：相 对 湿 度35%45%，波 动10%1%实现方法：采用空气调节系统 净净化化要求：10000100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m尘埃个数不超过100）实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气隔振隔振要求：消除内部、隔绝外部振动干扰 实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧隔振器 q 精密与超精密加工环境一、一、精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术现在学习的是第30页，共52页 微微细细加加工工 通通常常指指1mm1mm以以下下微微细细尺尺寸寸零零件件的的加加工工，其其加加工工误差为误差为0.1m 0.1m 10m 10m。超超微微细细加加工工 通通常常指指1m1m以以下下超超微微细细尺尺寸寸零零件件的的加加工工，其其加加工误差为工误差为0.01m 0.01m 0.1m0.1m。精精度度表表示示方方法法一一般般尺尺寸寸加加工工，其其精精度度用用误误差差尺尺寸寸与与加加工工尺尺寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值表示。寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值表示。“加加工工单单位位”去去除除一一块块材材料料的的大大小小，对对于于微微细细加加工工，加加工单位可以到分子级或原子级。工单位可以到分子级或原子级。微微切切削削机机理理切切削削在在晶晶粒粒内内进进行行，切切削削力力要要超超过过晶晶体体内内分分子子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。概述概述二、微细与超微细加工技术二、微细与超微细加工技术现在学习的是第31页，共52页热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）压铸，挤压，喷射，浇注压铸，挤压，喷射，浇注微离子流动加工微离子流动加工热表面流动热表面流动粘滞性流动粘滞性流动摩擦流动摩擦流动变形加工变形加工(流动加工流动加工)化学镀，气相镀（电镀，电铸）化学镀，气相镀（电镀，电铸）氧化，氮化（阳极氧化）氧化，氮化（阳极氧化）（真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延（真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）离子溅射注入加工离子溅射注入加工化学化学(电化学电化学)附着附着化学化学(电化学电化学)结合结合热附着热附着扩散扩散(熔化熔化)结合结合物理结合物理结合注入注入结合加工结合加工(附着加工附着加工)车削，铣削，钻削，磨削车削，铣削，钻削，磨削蚀刻，化学抛光，机械化学抛光蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解加工，电解抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工，熔化去除加工扩散去除加工，熔化去除加工离子束溅射去除加工，等离子体加工离子束溅射去除加工，等离子体加工机械去除机械去除化学分解化学分解电解电解蒸发蒸发扩散与熔化扩散与熔化溅射溅射分离加工分离加工(去除加工去除加工)加工方法加工方法加工机理加工机理表表5 微细与超微细加工机理与加工方法微细与超微细加工机理与加工方法二、二、微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术现在学习的是第32页，共52页主要采用铣、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（图19）。铣刀的回转半径（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。微细机械加工图19 单晶金刚石铣刀刀头形状二、微细与超微细加工技术二、微细与超微细加工技术现在学习的是第33页，共52页微小位移机构微小位移机构 ，微量移动应可小至几十个纳米，微量移动应可小至几十个纳米 。高高灵灵敏敏的的伺伺服服进进给给系系统统。要要求求低低摩摩擦擦的的传传动动系系统统和和导导轨轨支支承承系系统统，以及高跟踪精度的伺服系统。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。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。低热变形结构设计。刀具的稳固夹持和高的安装精度。刀具的稳固夹持和高的安装精度。高的主轴转速及动平衡。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。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。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（图20）二、二、微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术现在学习的是第34页，共52页 机机床床有有X X、Z Z、C C、B B四四个个轴轴，在在B B 轴轴回回转转工工作作台台上上增增加加A A轴轴转转台台后后，可可实实现现5 5轴轴控控制制，数数控控系系统统的的最最小小设设定定单单位位为为1nm1nm。可可进进行行车车、铣铣、磨磨和和电电火火花加工。花加工。旋旋转转轴轴采采用用编编码码器器半半闭闭环环控控制制，直直线线轴轴则则采采用用激激光光全全息息式式全全闭闭环环控控制。制。为为了了降降低低伺伺服服系系统统的的摩摩擦擦，导导轨轨、丝丝杠杠螺螺母母副副以以及及伺伺服服电电机机转转子子的的推推力力轴轴承承和和径径向向轴轴承承均均采采用用气气体体静压结构。静压结构。图20 FANUC 微型超精密加工机床二、二、微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术现在学习的是第35页，共52页 载流导体：载流导体：逆逆压压电电材材料料（如如压压电电陶陶瓷瓷PZTPZT）电电场场作作用用引引起起晶晶体体内内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。磁磁致致伸伸缩缩材材料料（如如某某些些强强磁磁材材料料）磁磁场场作作用用引引起起晶晶体体发生应变。发生应变。直接线性驱动（直线电机驱动）二、二、微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术 工作原理：载流导体在电场（或磁场）作用下产生微小工作原理：载流导体在电场（或磁场）作用下产生微小形变，并转化为微位移（图形变，并转化为微位移（图2121）。特点：特点：结构简单，运行可靠，传动效率高。结构简单，运行可靠，传动效率高。进给量可调，进给速度范围宽，加速度大。进给量可调，进给速度范围宽，加速度大。行程不受限制。行程不受限制。运动精度高。运动精度高。技术复杂。技术复杂。现在学习的是第36页，共52页图22 直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）7.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术现在学习的是第37页，共52页 直线驱动与伺服电机驱动比较（表直线驱动与伺服电机驱动比较（表6 6）表6 直线驱动与伺服电机驱动比较 性 能 伺服电机滚珠丝杠 直线驱动 定位精度(m/300mm)510 0.51.0 重复定位精度(m)25 0.10.2 最高速度(m/min)2050 60200 最大加速度(g)12 210 寿命(h)600010000 50000二、二、微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术现在学习的是第38页，共52页离子束4.刻蚀（形成沟槽）5.沉积（形成电路）6.剥膜（去除光致抗蚀剂）3.显影、烘片（形成窗口）窗口2.曝光（投影或扫描）掩膜电子束图25 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）1.涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片二、二、微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术微细电加工 现在学习的是第39页，共52页要求：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图26 电致伸缩微动工作台XY0Py1Py2Px微动工作台工作台微动的形成：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）二、二、微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术现在学习的是第40页，共52页 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。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；纳米级加工；纳米材料；纳米材料；纳米级传感与控制技术；纳米级传感与控制技术；微型与超微型机械。微型与超微型机械。三、三、纳米技术纳米技术现在学习的是第41页，共52页q 扫描隧道显微测量（STM,Scanning Tunneling Microscope）扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜19811981年年由由在在IBMIBM瑞瑞士士苏苏黎黎世世实实验验室室工工作作的的G.Binning G.Binning 和和 H.Rohrer H.Rohrer 发发明明，可可用用于于观观察察物物体体 级级的的表表面面形形貌貌。被被列列为为2020世世纪纪8080年年度度世世界界十十大大科科技技成成果果之之一一，19861986年因此获诺贝尔物理学奖。年因此获诺贝尔物理学奖。STMSTM工工作作原原理理基基于于量量子子力力学学的的隧隧道道效效应应。当当两两电电极极之之间间距距离离缩缩小小到到1nm1nm时时，由由于于粒粒子子波波动动性性，电电流流会会在在外外加加电电场场作作用用下下，穿穿过过绝绝缘缘势势垒垒，从从一一个个电电极极流流向向另另一一个个电电极极。当当一一个个电电极极为为非非常常尖尖锐锐的的探探针针时时，由由于尖端放电使隧道电流加大。于尖端放电使隧道电流加大。三、三、纳米技术纳米技术G.Binning H.RohrerG.Binning H.Rohrer现在学习的是第42页，共52页STM图32 STM工作过程演示图31 STM实物照片 三、三、纳米技术纳米技术现在学习的是第43页，共52页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 三、三、纳米技术纳米技术图33 用STM移动分子组成的IBM字样图34 用STM观察石墨原子排列现在学习的是第44页，共52页 当当探探针针与与试试件件表表面面距距离离达达1nm1nm时时，形形成成隧隧道道结结（图图3535）。当当偏偏压压U Ub b小小于于势垒高度势垒高度 时，隧道电流密度为：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。由由上上式式可可见见，探探针针与与试试件件表表面面距距离离 d d 对对隧隧道道电电流流密密度度非非常常敏敏感，这正是感，这正是STMSTM的基础。的基础。12d试件STM探针Ub图35 STM隧道结三、三、纳米技术纳米技术现在学习的是第45页，共52页 两种测量模式（2）恒电流测量模式（图36b）：探针在试件表面扫描，使用反馈电路驱动探针，使探针与试件表面之间距离（隧道间隙）不变。此时探针移动直接描绘了试件表面形貌。此种测量模式隧道电流对隧道间隙的敏感性转移到反馈电路驱动电压与位移之间的关系上，避免了非线性，提高了测量精度和测量范围。b）试件输出运动轨迹驱动电路扫描器检测电路控制器图36 STM工作原理扫描器检测电路a）输出试件运动轨迹（1）等高测量模式（图36a）：探针以不变高度在试件表面扫描，隧道电流随试件表面起伏而变化，从而得到试件表面形貌信息。三、纳米技术三、纳米技术现在学习的是第46页，共52页 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，曲率半径为10nm左右。图37 STM针尖三、三、纳米技术纳米技术现在学习的是第47页，共52页（2）隧道电流反馈控制（图38）三、三、纳米技术纳米技术计算机差分比较积分放大比例放大高压放大A/DXYZ控制信号设定电压前置放大对数放大（线性化）探针压电陶瓷试件图38 隧道电流反馈控制系统原理框图D/A现在学习的是第48页，共52页（3）纳米级扫描运动压电陶瓷扫描管（图39）（4）信号采集与数据处理由软件完成。XZ陶瓷管金属膜+UX-UX-UY+UYUZa）LL0b）图39 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(图39b)。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39 a，其工作原理见图39b。三、三、纳米技术纳米技术现在学习的是第49页，共52页 课堂作业课堂作业1、精密加工技术、超精密加工技术、纳米技、精密加工技术、超精密加工技术、纳米技术的概念术的概念现在学习的是第50页，共52页讨论：讨论：1、你希望学习和了解哪些先进制造技术？、你希望学习和了解哪些先进制造技术？2、个人设计某种先进制造技术来实现特定产品的加工？、个人设计某种先进制造技术来实现特定产品的加工？现在学习的是第51页，共52页现在学习的是第52页，共52页