微細(xì)加工和納米技術(shù)

來源：發(fā)布時(shí)間：2014-07-26 12:27:38點(diǎn)擊率：

1．微細(xì)機(jī)械加工和電加工技術(shù)

1．微細(xì)加工的機(jī)床結(jié)構(gòu)

它應(yīng)滿足下列功能：

1）為達(dá)到很小的單位去除率（UR），需要各軸能實(shí)現(xiàn)足夠小的微量移動(dòng)，對于微細(xì)的機(jī)械加工和電加工工藝，微量移動(dòng)應(yīng)可小至幾十個(gè)納米，電加工的UR 小極限取決于脈沖放電的能量。
2）高靈敏的伺服進(jìn)給系統(tǒng)，它要求低摩擦的傳動(dòng)系統(tǒng)和導(dǎo)軌主承系統(tǒng)以及高精度跟蹤性能的伺服系。
3）高平穩(wěn)性的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，盡量減少由于制造和裝配誤差引起的各軸的運(yùn)動(dòng)誤差。
4）高的定位精度和重復(fù)定位精度。
5）低熱變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
6）刀具的穩(wěn)固夾持和高的重復(fù)夾持精度。
7）高的主軸轉(zhuǎn)速及極低的動(dòng)不平衡。
8）穩(wěn)固的床身構(gòu)件并隔絕外界的振動(dòng)干擾。
9）具有刀具破損和微型鉆頭折斷的敏感的監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1為日本FANUC公司開發(fā)的能進(jìn)行車、銑、摩和電火花加工的多功能微型超精密加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)示意圖。該機(jī)床有X、Z、C、B四軸，在B軸回轉(zhuǎn)工作臺上增加A軸工作臺后可實(shí)現(xiàn)5軸控制，數(shù)控系統(tǒng)的小設(shè)定單位為1nm。

該機(jī)床既有編碼器半閉環(huán)損制，還有激光全息式直線移動(dòng)的全閉環(huán)控制。反饋指令的大小直接影響到伺服跟蹤誤差，編碼器與電機(jī)直聯(lián)具有每周6400萬個(gè)脈沖的分辨率，每個(gè)脈沖相當(dāng)于坐標(biāo)軸移動(dòng)0.2nm。編碼器反饋單位為1/3nm，故跟蹤誤差在&pmn;1/3nm以內(nèi)。直線尺的分辨率為1nm，跟蹤誤差約在&pmn;3nm以內(nèi)。為了消除電機(jī)編碼器和直線檢測元件本身的誤差對反饋的影響，還應(yīng)用高精度螺距誤差補(bǔ)償技術(shù)，開發(fā)了有50萬點(diǎn)的高密度誤差值自動(dòng)設(shè)置的補(bǔ)償方法。螺距誤差補(bǔ)償值用0.3nm分辨率的激光干涉儀測出。

為了降低伺服系統(tǒng)的摩擦，對導(dǎo)軌、絲杠螺母副以及絲杠和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子的推力軸承和徑向軸承均采用氣體靜壓支承結(jié)構(gòu)（圖2）。伺服電機(jī)的若采和定子用空氣冷卻，使運(yùn)行時(shí)由發(fā)熱引起的溫升控制在抗0.1℃下。

為了防止絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的根擺影響到滑鞍運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，所用的空氣靜壓螺母不直接固定在滑鞍上。而是通過其兩端的與床鞍橋板聯(lián)接的叉形氣墊支承塊來傳遞軸向運(yùn)動(dòng)，而其他方向均無約束，從而消除了絲杠偏擺的影響。螺母及兩個(gè)叉形氣墊支承塊均由氣體靜壓支承在導(dǎo)軌上被引導(dǎo)作軸向運(yùn)動(dòng)（圖3）。

2. 微細(xì)加工工藝

（l）微細(xì)機(jī)械加工工藝凸形（外）表面的微細(xì)切削大多采用單晶金剛石車刀或銑刀。刀尖半徑約為100μm。圖4為單晶金剛石立銑刀的刀頭形狀，當(dāng)?shù)毒呋剞D(zhuǎn)時(shí)，金剛石刀片形成一個(gè)45°圓錐的切削面。凹形（內(nèi)）表面的微細(xì)切削時(shí)，小的可加工尺寸受刀具尺寸的限制，如鉆孔用麻花鉆可加工小至50μm的孔，更小的孔則無麻花鉆商品，可采用扁鉆。

微細(xì)加工中俯—個(gè)關(guān)鍵問題是刀具安裝后的姿態(tài)及其與主軸軸線的同軸度是否與坐標(biāo)系一致，否則很難保證微小的切除量。為此可在同一臺機(jī)床上制作刀具后進(jìn)行加工，使刀具的制作和微細(xì)加工采用同一工作條件，避免裝夾的誤差。如果在機(jī)床上采用線放電磨削制作銑刀，可以用它銑出50μm寬的槽。

在圖1微型超精密機(jī)床上，用上述工藝方法加工一個(gè)直徑為1mm，高度為30μm的微型雕面像，用金剛石立銑刀加工無氧銅，刀具轉(zhuǎn)速5000r/min，進(jìn)刀速度粗加工為20mm/min，精加工為5mm/min，吃刀量2μm，的表面粗糙度可達(dá)到Ramax50nm。

（2）微細(xì)電加工工藝微型軸和異形截面桿（圖5）的加工可采用線放電磨削法（WEDG）加工。它的獨(dú)特的放電回路使放能僅為一般電火花加工的1/100。圖6為WEDG加工微型軸的原理，電極線沿著導(dǎo)絲器中的槽以5～10mm/min的低速滑動(dòng)，就能加工出圓柱形的軸。如導(dǎo)絲器通過數(shù)字控制作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，就能加工出如圖5所示的各種形狀的桿件。

如需獲得更為光滑的表面，則可以在WEDG加工后，再采用線電化磨削法（WECG），它是用去離子水在低電流下去除極薄的表面層。

微細(xì)電火花加工（MEDM）所用的機(jī)床如日本松下電氣產(chǎn)業(yè)公司的MG-ED71，它的定位控制的分辯率為0.1μm，小加工孔徑達(dá)5μm，表面粗糙度達(dá)0.1μm。加工節(jié)徑300μm、厚100μm的9齒不銹鋼齒輪時(shí)，先用φ24μm的電極連續(xù)打孔加工出粗輪廓，再用φ31mm電極按齒形曲線掃描出輪廓，精度達(dá)&pmn;3μm。也可用它加工微型階梯軸，小直徑為30μm，加工的鍵槽截面為10μm×10μm。

加工微小零件的電極應(yīng)在同一臺電加工機(jī)床上制作，否則由于電極的連接和安裝誤差很難加工出小于直徑100μm微型孔。如在微細(xì)電火花機(jī)床上加工電極或超聲加工工具，就可加工出5～10μm微型孔。圖7示出在一臺沖模機(jī)上用WEDG法制作出電火花加工所用的電極，以此做出凹模，并用與做電極相似的方法做出凸模，即成為一套沖模，生產(chǎn)出所需的微型零件。

微細(xì)電加工與微細(xì)機(jī)械加工相比雖材料切除率較低，但加工尺寸能更細(xì)小，孔的長徑比更大可達(dá)5～10，尤其對于微細(xì)的復(fù)雜凹形內(nèi)腔加工更有其優(yōu)越性。

2．光化掩膜加工

1. 光刻加工

光刻加工是對薄膜表面及金屬板表面進(jìn)行精密、微小和復(fù)雜圖形加工的技術(shù)，用它制造的零件有：刻線尺、微電機(jī)轉(zhuǎn)子、電路印刷板、細(xì)孔金屬網(wǎng)板和攝像管的簾柵網(wǎng)等。其主要工藝過程如圖1所示。它是利用光致抗蝕劑化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)，在紫外線或激光照射下，將照相制板（掩膜板）上的圖形精確地印制在涂有光致抗蝕劑的工件表面，再利用光致抗蝕劑的耐腐蝕特性，對工件表面進(jìn)行腐蝕，從而獲得極為復(fù)雜的精細(xì)圖形，故而是半導(dǎo)體工業(yè)的一項(xiàng)極為主要的制造技術(shù)。

表1示出了采用光刻技術(shù)和微細(xì)電加工技術(shù)制造微型電機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能對比。

表1 不同方法加工的微型電機(jī)比較

① 美國麻省理工大學(xué)（MIT）在硅片制作。
② 美國猶他大學(xué)（Utah）制作。

應(yīng)用光刻加工技術(shù)可以使制造的電機(jī)更微型化，且無需組裝和易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。但由于它刻制的薄膜厚度僅有2μm，與用電火花制出的微型電機(jī)相比，由于電機(jī)的電極面積很小，因而電機(jī)的轉(zhuǎn)矩僅為后者的萬分之一。

2. LIGA法

為了克眼光刻法制作的零件的厚度過薄的不足，于90年代由德國卡爾斯魯厄原子核研究所提出了LIGA法（X射線刻蝕電鑄模法），它是由德文的照相制掩膜、電鑄制模和注射成形三個(gè)詞的縮寫（Lithograhic Galvanofornung Abformung）。它的工藝包括下列三個(gè)主要工序：

1）把從同步加速器放射出的具有短波長和很高平行性的X射線作為曝光光源，可在大厚度達(dá)500μm的光致抗蝕劑上生成曝光圖形的三維實(shí)體（圖2）。

2）用曝光蝕刻的圖形實(shí)體作電鑄的模具，生成鑄型。
3）以生成的鑄型作為注射成形的模具，即能加工出所需的微型零件。

LIGA法的制作過程的示意圖如圖3所示。

由于X射線的平行性很高，使微細(xì)圖形的感光聚焦深度遠(yuǎn)比光刻法為深，一般可達(dá)25倍以上，因而蝕刻的圖形厚度較大，使制出的零件有較大的實(shí)用性。且X射線的波長極短小于1nm，可得到的解像性能，使斷面的粗糙度通常為Ra0.02～0.03μm，小能達(dá)Ra0.01μm。此外用此法除可制造樹脂類零件外，也可在精密成形的樹脂零件基礎(chǔ)上再電鑄得到金屬或陶瓷材料的零件。例如應(yīng)用LIGA法制作直徑為130μm、厚度為150μm的微型渦輪；制作厚度為150μm、焦距為500μm的柱面微型透鏡，并可獲得非常光滑的表面。

LIGA法與微細(xì)電火花加工相比，前者可實(shí)現(xiàn)極其微細(xì)的圖形成形以及用于對表面光滑度有很高要求的光學(xué)零件的制造。而微細(xì)電火花加工則適宜于加工立體型面和進(jìn)行行內(nèi)凹的和傾斜的表面加工。

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