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、概述一、概述 微细加工微细加工 通常指通常指1mm1mm以下微细尺寸零件的加工，以下微细尺寸零件的加工，其加工误差为其加工误差为0.1m 0.1m 10m 10m 超微细加工超微细加工 通常指通常指1m1m以下超微细尺寸零件的加工以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为，其加工误差为0.01m 0.01m 0.1m0.1m 精度表示方法精度表示方法一般尺寸加工，其精度用误差尺寸与一般尺寸加工，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 “ “加工单位加工单位” ” 去除一块材料的大小，对于微细加工，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加工单位可以到分子级或原子级 微切削机理微切削机理切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体切削在晶粒内进行，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 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 。
高灵敏的伺服进给系统要求低摩擦的传动系统和导轨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 机床有机床有X X、Z Z、C C、B B四个轴，在四个轴，在B B 轴回轴回转工作台上增加转工作台上增加A A轴轴转台后，可实现转台后，可实现5 5轴轴控制，数控系统的最控制，数控系统的最小设定单位为小设定单位为1nm1nm可进行车、铣、磨和可进行车、铣、磨和电火花加工电火花加工 旋转轴采用编码器旋转轴采用编码器半闭环控制，直线轴半闭环控制，直线轴则采用激光全息式全则采用激光全息式全闭环控制闭环控制 为了降低伺服系统为了降低伺服系统的摩擦，导轨、丝杠的摩擦，导轨、丝杠螺母副以及伺服电机螺母副以及伺服电机转子的推力轴承和径转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静向轴承均采用气体静压结构。
压结构FANUC 微型超精密加工机床 载流导体：载流导体： 逆压电材料（如压电陶瓷逆压电材料（如压电陶瓷PZTPZT）电场作用引起晶体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（如某些强磁材料磁致伸缩材料（如某些强磁材料）磁场作用引起晶磁场作用引起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，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 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、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、化学性能纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理、化学性能检测；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q 扫描隧道显微测量（STM） 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜19811981年由在年由在IBMIBM瑞士苏黎世实验室工作瑞士苏黎世实验室工作的的G.BinningG.Binning 和和 H.Rohrer H.Rohrer 发明，可用于观察物体发明，可用于观察物体 级的表级的表面形貌。
被列为面形貌被列为2020世纪世纪8080年度世界十大科技成果之一，年度世界十大科技成果之一，19861986年因此获诺贝尔物理学奖年因此获诺贝尔物理学奖 STMSTM工作原理基于量子力工作原理基于量子力学的隧道效应当两电极之学的隧道效应当两电极之间距离缩小到间距离缩小到1nm1nm时，由于时，由于粒子波动性，电流会在外加粒子波动性，电流会在外加电场作用下，穿过绝缘势垒电场作用下，穿过绝缘势垒，从一个电极流向另一个电，从一个电极流向另一个电极当一个电极为非常尖锐极当一个电极为非常尖锐的探针时，由于尖端放电使的探针时，由于尖端放电使隧道电流加大隧道电流加大G.Binning H.RohrerG.Binning H.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 当探针与试件表面距离达当探针与试件表面距离达1nm1nm时，形成隧道结当偏压时，形成隧道结当偏压U Ub b小于小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。
由上式可见，探针与试件表面距离由上式可见，探针与试件表面距离 d d 对隧道电流密度非对隧道电流密度非常敏感，这正是常敏感，这正是STMSTM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X方向扫描若两外壁电极电。