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1、第三章第三章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术第六节第六节 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术一、概述一、概述一、概述一、概述 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，其加工误差为其加工误差为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，其加工误差为工，其加工误差为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寸比比值值表表示示；微微细细加加工工，其其精精度度用用误误
2、差差尺尺寸寸绝绝对对值值表示。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，加工单位可以到分子级或原子级。加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分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）压铸，挤压，喷射，浇注微离子流动加工热表面流动粘滞性流动摩擦流动变形加工(流动加工)化学镀，气相镀（电镀，电铸）氧化，氮化（阳极氧化）（真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔
3、化镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）离子溅射注入加工化学(电化学)附着化学(电化学)结合热附着扩散(熔化)结合物理结合注入结合加工(附着加工)车削，铣削，钻削，磨削蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工，熔化去除加工离子束溅射去除加工，等离子体加工机械去除化学分解电解蒸发扩散与熔化溅射分离加工(去除加工)加工方法加工机理微细与超微细加工机理与加工方法主要采用铣、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 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
4、圆锥形的切削面。单晶金刚石铣刀刀头形状二、微细机械加工二、微细机械加工二、微细机械加工二、微细机械加工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承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。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。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
5、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 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、磨磨和和电火花加工。电火花加工。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环控制。闭环控制。为为
6、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静压结构。压结构。FANUC 微型超精密加工机床 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正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。内正负电荷重心位移（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发生应变。体发生应变。直接线性驱动（直线电机驱动）工作原理：载流导体在电场（或磁场）作用下
7、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。形变，并转化为微位移。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。电磁驱动装置（直线电机）工作原理逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件加励磁电压，伸长逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2加励磁，夹紧电磁铁1去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件去掉励磁电压，
8、恢复原长，电磁铁1移动 逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁加励磁，夹紧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直线驱动与伺服电机驱动比较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电极线沿着导丝器中的槽以510mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴。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）WEDG 可加工
9、的各种截形杆WEDG工作原理工件金属丝导丝器三、微细电加工三、微细电加工三、微细电加工三、微细电加工 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
10、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”工件表面，进行“溅射”加工。图7-43 离子碰撞过程模型被排斥Ar离子回弹溅射原子位移原子格点间停留离子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点置换离子位移原子工件表面工件真空四、离子束加工四、离子束加工四、离子束加工四、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 四种工作方式惰性气体入口阴极中间电极
11、电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦装置摆动装置工件三坐标工作台离子束去除加工装置加工装置：三坐标工作台可实现三坐标直线运动，摆动装置可实现绕水平轴的摆动和绕垂直轴的转动。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。离子束加工金刚石制品离子束离子束r=0.01m预加工终加工a)金刚石压头r=0.01m离子束离子束预加工终加工b)金刚石刀具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”离子束源靶溅射材料溅射粒子工
12、件真空离子束溅射镀膜加工离子镀氮化钛，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，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
13、、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纳米米级级精精度度和和表表面面形形貌貌测测量量及及表表面面层层物物理理、化化学学性性能能检测；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。五、纳米技术五、纳米技术五、纳米技术五、纳米技术q 扫描隧道显微测量（STM）扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜19811981年年由由在在IBMI
14、BM瑞瑞士士苏苏黎黎世世实实验验室室工工作作的的G.BinningG.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
15、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，由由于于尖尖端端放放电电使使隧隧道道电流加大。电流加大。G.BinningG.Binning H.RohrerH.RohrerSTMSTM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。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；
16、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敏感，这正是常敏感，这正是STMSTM的基础。的基础。12d试件STM探针Ub STM隧道结 两种测量模式（2）恒电流测量模式：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 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
17、模式：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。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。STM针尖（2）隧道电流反馈控制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）探针压电陶瓷试件隧道电流反馈控制系统原理框图D/A（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。XZ陶瓷管金属膜+UX-UX-UY+UYUZa）LL0b）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
18、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）当当两两原原子子间间距距离离缩缩小小到到 级级时时，原原子子间间作作用用力力显显示示出出来来，造造成成两两原原子子势势垒垒高高度度降降低低，两两者者之之间间产产生生吸吸引引力力。而而当当两两原原子子间间距距离离继继续续缩缩小小至至原原子子直直径径时时，由由于于原原子子间间电电子子云云的的不不相相容性，两者之间又产生排斥力。容性，两者之间又产生排斥力。AFAFMM两种测量模式：两种测量模式：接触式探探针针针针尖尖与与试试件件表表面面距距离离0.50.5nmnm，利利用用原原子子间间
19、的的排排斥斥力力。由由于于分分辨辨率率高高，目目前前采采用用较较多多。其其工工作作原原理理是是：保保持持探探针针与与被被测测表表面面间间的的原原子子排排斥斥力力一一定定，探探针针扫扫描描时时的的垂垂直位移即反映被测表面形貌。直位移即反映被测表面形貌。非接触式探探针针针针尖尖与与试试件件表表面面距距离离为为0.50.51 1nmnm，利利用用原子间的吸引力。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，理，C.Binning C.Binning 于于19861986年发明年发明原子力显微镜原子力显微镜。AFM探针被微力弹簧
20、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。AFAFMM结构结构STM驱动AFM扫描驱动AFM探针STM探针试件微力簧片AFM结构简图在簧片上方安装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精密传感传感器器moving plateCapacitanceLVDIOptical LeverOptical Scale高精度高精度双轴双轴定位定位平台平台气浮导轨气浮导轨X-Y微动平台X-Y-PZT微动平台P
21、ZT 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LIGALIGA（Lithographic Lithographic GaluanoformungGaluanoformung AbformungAbformung ）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。X射线曝光腐蚀溶解抗蚀剂电铸铸型注射成形零件 LIGA制作零件过程 LIGA由深层同步X射线光刻、电铸成形、
22、塑注成形组合而成。包括三个主要工序：LIGA工作现场 50 m X射线刻蚀的三维实体 LIGA特点用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等可可以以制制作作高高度度达达0.10.10.5mm0.5mm，高高宽宽比比大大于于200200的的三三维维微微结结构构，形状精度达亚微米形状精度达亚微米 LIGA代表产品及应用微微传传感感器器、微微电电机机、微微机机械械零零件件、微微光光学学元元件件、微微波波元元件件、真真空空电电子子元元件件、微型医疗器械等微型医疗器械等广广泛泛应应用用于于加加工工、测测量量、自自动动化化、电电子子、生生物物、医医学、化工等领域学、化工等领域可以实现大批量复制，成本较低可以实现大批量复制，成本较低本节结束本节结束