机械制造技术 第五章 精密与 超精密加工

第一节 概述 精密加工----加工公差为10.0～0.1μm，表面粗糙度Ra0.30～0.03μm的加工精密加工 第一节 概述 在高精度加工范围内，根据加工精度水平的不同，可进一步划分为精密加工、超精密加工和纳米加工三个档次。 精密加工----加工公差为10.0～0.1μm，表面粗糙度Ra0.30～0.03μm的加工精密加工 超精密加工----加工公差为0.1～0.01μm、表面粗糙度Ra0.03～0.005μm的加工超精密加工； 纳米加工----加工公差小于0.01μm、表面粗糙度Ra小于0.005μm的加工称为纳米加工。 ◆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

◆ 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 零件 加 工 精 度 表面粗糙度 零件 加 工 精 度 表面粗糙度 激光光学零件 形状误差 0.1μm Ra 0.01～0.05μm 多面镜 平面度误差 0.04μm Ra ＜0.02μm 磁头 平面度误差 0.04μm Ra ＜0.02μm 磁盘 波度 0.01 ～0.02μm Ra ＜0.02μm 雷达导波管 平面度垂直度误差 ＜ 0.1μm Ra ＜0.02μm 卫星仪表轴承 圆柱度误差 ＜0.01μm Ra ＜0.002μm 天体望远镜 形状误差 ＜ 0.03μm Ra ＜0.01μm 几种典型精密零件的加工精度

◆ 精密加工与超精密加工的发展 精密加工与超精密加工的发展 普通加工 精密加工 超精密加工 超高精密磨床 超精密研磨机 离子束加工 分子对位加工 车床,铣床 卡尺 加工设备 测量仪器 精密车床 磨床 百分尺 比较仪 坐标镗床 坐标磨床 气动测微仪 光学比较仪 金刚石车床 精密磨床 光学磁尺 电子比较仪 超精密磨床 精密研磨机 激光测长仪 圆度仪轮廓仪 激光高精度测长仪 扫描电镜 电子线分析仪 加工误差（μm） 100 101 102 10-2 10-1 10-3 1900 1920 1940 1960 1980 2000 年份

精密与超精密加工地位 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0.01μm；超大规模集成电路最小线宽0.1μm，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0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，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60μm降至12μm，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4μm减小1μm，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

精密与超精密加工分类 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） 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 精密与超精密加工分类

精密与超精密加工特点 直接式进化加工：利用低于工件精度的设备、工具，通过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。 间接式进化加工：借助于直接式“进化”加工原则，生产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件。适用于批量生产。 ◆“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。

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 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 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 ◆ 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。

第二节 金刚石超精密加工技术 ◆ 机理、特点 切削在晶粒内进行(吃刀量 ) 切削力＞原子结合力（剪切应力达 13000 N/ mm2） 第二节 金刚石超精密加工技术 ◆ 机理、特点 切削在晶粒内进行(吃刀量 ) 切削力＞原子结合力（剪切应力达 13000 N/ mm2） 刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量 用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量） 加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnS和ZnSe等 加工有机玻璃和各种塑料 典型产品：光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等 ◆ 应用

◆ 关键技术 ★ 加工设备 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 如美国Moore公司M-18AG金刚石车床，主轴采用空气静压轴承，转速5000转/分，径跳＜0.1μm；液体静压导轨，直线度达 0.05μ/100mm；数控系统分辨率0.01 μ。 ★ 加工设备 要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等。

T形布局（如图） 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。 T形布局的金刚石车床

金刚石车床主要性能指标 数控系统分辩率 /μm 400×200 5000～10000 5000 0. 1～0.01 ≤0. 2/100 ≤0. 1 ≤1/150 ≤2/100 径向 1140 轴向 1020 640 720 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(±2σ) / μ m 主轴径向圆跳动 / μ m 滑台运动的直线度 / μ m 主轴前静压轴承（φ100mm）的刚度 /（N/μm） 主轴后静压轴承（φ80mm）的刚度 /（N/μm） 纵横滑台的静压支承刚度 /（N/μm） 金刚石车床主要性能指标 主轴轴向圆跳动 / μ m 横滑台对主轴的垂直度 / μ m

超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石 ◆ 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 金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和六根2次对称轴（图7-20）。 a）4 次对称轴和（100）晶面 L4 （100） （110） L2 L3 （111） b）2 次对称轴和（110）晶面 c）3 次对称轴和（111）晶面 图7-20 八面体的晶轴和镜晶面

◎金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。 ◎（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（如图） 金刚石晶体的面网距和解理现象 ◎金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。 ◎（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（如图） （111）面网C原子分布和解理劈开面 劈开面 ◎在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开。 ◎在两个相邻的加强（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”。

金刚石刀具刃磨 — 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 — 圆角半径越小越好（理论可达到1nm） 金刚石刀具角度（如图） 单晶金刚石 45 6.4 12 A 6 A-A 35 R R=1.6 ～ 4.8 5 B 1 B-B 110 120 R=0.5 1.2 金刚石刀具角度

加工4.5mm陶瓷球 金刚石车床 金刚石车床及其加工照片

第三节 超硬磨料砂轮精密与超精密磨削 ◆ 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN） ◆ 特点： 第三节 超硬磨料砂轮精密与超精密磨削 ◆ 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN） 可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料（铁金属用CBN） 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 ◆ 特点： 分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行 常用方法 — ① 用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状； ② 电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可在线修整 ◆ 砂轮修整：

◆ 电泳磨削 进给 ＋ － ELID磨削原理 电源 金刚石砂轮 （铁纤维结合剂） 冷却液 电刷 使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。

◆ 塑性（延性）磨削 磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。 塑性磨削工艺条件： （1）切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度＜1μm。 为此对机床要求：①高的定位精度和运动精度。以免因磨粒切削深度超过1μm时，导致转变为脆性磨削。②高的刚性。因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。 （2）磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性会发生变化，导致切屑形成机理的变化（已有试验作支持）。

砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。 ◆ 精密与超精密砂带磨削 砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。 砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。 有开式（右图）和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等。 接触轮 硬磁盘— 装在主轴真空吸盘上 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

用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统）

几种常见砂带磨削方式 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 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） d）砂带内圆磨削（回转式） 支承板 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

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 0.02μm）。 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 0.02μm）。 2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（右图），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。 磨粒 规格涂层 粘接剂 基带 静电植砂砂带结构 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。

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（右图） ◆ 游离磨料加工 工件 小间隙 加压 抛光轮 悬浮液 微粉(磨粒) 弹性发射加工原理 ★ 弹性发射加工 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（右图） 抛光轮： 由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直径 0.1～0.01μm 机理：微切削＋被加工材料的微塑性流动作用

抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用。 ★ 液体动力抛光 抛光工具 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（右图） 抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用。 机理：微切削作用。 ★ 机械化学抛光 抛光工具 活性 抛光液 机械化学抛光 小间隙 工件 工具运动方向 加压 工作原理（右图） 活性抛光液和磨粒与工件表面产生固相反应，形成软粒子，使其便于加工。 机理：机械+化学作用，称为“增压活化”。

激光测量 激光由于其优良的特性（强度高，亮度大，单色性、相干性、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； 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。 激光测量精度目前可达0.01μm。

激光高速扫描尺寸计量系统（如下图） 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。 激光扫描尺寸计量系统

由于移动反射棱镜随被测件移动，频率f2变成 f2±Δf2 。两路反射回来的光经偏振分光镜汇合一起，再经反射镜和干涉测量仪获得拍频信号，其频率为： f1－（ f2± Δf2 ）= Δf + Δf2 7.2.1 精密与超精密加工技术 经分光镜，折射一小部分，经干涉测量仪获得拍频Δf（= f1 － f2）的参考信号。大部分激光到偏振分光镜：垂直线偏振光f1被反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光 f2全部透射，再经移动反射棱镜反射回来。 氦氖激光器发出的激光，在轴向强磁场作用下，产生频率 f1和f2旋向相反的圆偏振光，经1/4波片形成频率f1的垂直线偏振光和频率f2的水平线偏振光。经透镜组成平行光束。 该信号与参考信号比较， 获得±Δf2 的具有长度单位当量的电信号。由于使用频率差Δf 进行测量，使其不受环境变化影响，可获得高的测量精度和测量稳定性。 双频激光测量 固定反射棱镜 双频激光测量系统原理图 干涉测量仪 f2 +Δf2 f1 氦氖激光器 轴向强磁场 N S 1/4波片 分光镜 透镜组 f1 f2 移动反射棱镜 f2 偏振分光镜 Δf Δf +Δf2

双频激光测量系统

精密与超精密加工环境 ◆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 ◆净化——要求：10000～100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5μm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——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

第四节 微细与超微细加工技术 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0.1μm ～ 10μm 。 第四节 微细与超微细加工技术 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0.1μm ～ 10μm 。 超微细加工 —— 通常指1μm以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.01μm ～0.1μm。 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。

微细与超微细加工机理与加工方法 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

微细机械加工 ◆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。 单晶金刚石铣刀刀头形状 ◆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（右图）。铣刀的回转半径（可小到5μm）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。

◆ 微细机械加工设备 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。

◆ 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

◆ 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）作用下产生微小形变，并转化为微位移。 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。 特点： ◎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。 ◎行程不受限制。 ◎运动精度高。 ◎技术复杂。

逆压电元件去掉励磁电压，恢复原长，电磁铁1移动 Δ 2 电磁铁加励磁，夹紧 逆压电元件 电磁铁 1 2 电磁铁2去掉励磁，松开 Δ 逆压电元件 电磁铁 1 2 逆压电元件加励磁电压，伸长Δ 逆压电元件 电磁铁 1 2 电磁铁2加励磁，夹紧 电磁铁1去掉励磁，松开 Δ 逆压电元件 电磁铁 1 2 逆压电元件去掉励磁电压，恢复原长，电磁铁1移动 Δ 逆压电元件 电磁铁 1 2 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 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 性 能 伺服电机＋滚珠丝杠 直线驱动 定位精度(μm/300mm) 5～10 0.5～1.0 重复定位精度(μm) ±2～±5 ±0.1～±0.2 最高速度(m/min) 20～50 60～200 最大加速度(g) 1～2 2～10 寿命(h) 6000～10000 50000

微细电加工 ◆ 线放电磨削法（WEDG） 电极线沿着导丝器中的槽以5～10mm/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（下图）。 WEDG工作原理 Ⅰ－Ⅰ Ⅰ 工件 金属丝 导丝器 WEDG 可加工的各种截形杆

◆ 光刻加工（电子束光刻大规模集成电路） 2. 曝光 （投影或扫描） 掩膜 电子束 3. 显影、烘片 （形成窗口） 窗口 1. 涂胶 （光致抗蚀剂） 氧化膜 光致抗蚀剂 基片 离子束 4. 刻蚀 （形成沟槽） 6. 剥膜 （去除光致抗蚀剂） 5. 沉积 （形成电路） 电子束光刻大规模集成电路加工过程

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 ◆ 加工设备（电子束光刻大规模集成电路） 要求：定位精度 0.1μm，重复定位精度 0.01μm 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 电致伸缩微动工作台 X Y Py1 Py2 Px 微动工作台

离子束加工 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。 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 格点置换离子 工件表面 工件 真空

◎加工装置见图2-26。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。 ◆ 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 ◎加工装置见图2-26。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。 ◆ 四种工作方式 离子束溅射去除加工 ◎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 r = 0.01μm 预加工 终加工 a) 金刚石压头 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。

◎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 ◎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）。 ◎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。

离子束溅射注入加工 ◎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。

第五节 纳米技术 ◆ 通常指纳米级（0.1nm～100nm）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； 纳米级加工； 纳米材料； 纳米级传感与控制技术； 微型与超微型机械。

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 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 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φ时，隧道电流密度为： φ1 φ2 d 试件 STM探针 Ub STM隧道结 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。

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。 两种测量模式 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。 （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

（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。 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/D XYZ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

压电陶瓷扫描管结构见图a ，其工作原理见图b。 （3）纳米级扫描运动——压电陶瓷扫描管 压电陶瓷扫描管结构见图a ，其工作原理见图b。 L L0 b） 陶瓷管 金属膜 +UX -UX -UY +UY UZ a） 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b ) 。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。 ΔX ΔZ 压电陶瓷扫描管结构及工作原理 （4）信号采集与数据处理——由软件完成。

◆ 原子力显微镜（AFM） 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。 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＜0.5nm，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0.5～1nm，利用原子间的吸引力。

◎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。 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 ◎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。 ◎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。

扫描探针 AFM实物照片 磁盘图像

LIGA（Lithographic Galuanoformung Abformung ） 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： 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 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工作现场

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0.1～0.5mm，高宽比大于200的三维微结构，形状精度达亚微米 ◆ 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0.1～0.5mm，高宽比大于200的三维微结构，形状精度达亚微米 可以实现大批量复制，成本较低 ◆ LIGA代表产品及应用 50 μm X射线刻蚀的三维实体 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