微细加工和纳米技术

宁飞龙

1．微细机械加工和电加工技术
1．微细加工的机床结构
9 F. J. K; v. Q. P6 j( T它应满足下列功能：
1）为达到很小的单位去除率（UR），需要各轴能实现足够小的微量移动，对于微细的机械加工和电加工工艺，微量移动应可小至几十个纳米，电加工的UR最小极限取决于脉冲放电的能量。
2）高灵敏的伺服进给系统，它要求低摩擦的传动系统和导轨主承系统以及高精度跟踪性能的伺服系。
5 W# D- w* B4 w3）高平稳性的进给运动，尽量减少由于制造和装配误差引起的各轴的运动误差。
4）高的定位精度和重复定位精度。
# g0 I3 T8 v( D& x0 u0 z7 L) v5）低热变形结构设计。
6）刀具的稳固夹持和高的重复夹持精度。
1 C" M0 F; p7 I; G7）高的主轴转速及极低的动不平衡。
8）稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。
+ ]' j9 j  L- r9）具有刀具破损和微型钻头折断的敏感的监控系统。
图1为日本FANUC公司开发的能进行车、铣、摩和电火花加工的多功能微型超精密加工机床的结构示意图。该机床有X、Z、C、B四轴，在B轴回转工作台上增加A轴工作台后可实现5轴控制，数控系统的最小设定单位为1nm。
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% C5 I7 x* G6 L( l7 h该机床既有编码器半闭环损制，还有激光全息式直线移动的全闭环控制。反馈指令的大小直接影响到伺服跟踪误差，编码器与电机直联具有每周6400万个脉冲的分辨率，每个脉冲相当于坐标轴移动0.2nm。编码器反馈单位为1/3nm，故跟踪误差在±1/3nm以内。直线尺的分辨率为1nm，跟踪误差约在±3nm以内。为了消除电机编码器和直线检测元件本身的误差对反馈的影响，还应用高精度螺距误差补偿技术，开发了有50万点的高密度误差值自动设置的补偿方法。螺距误差补偿值用0.3nm分辨率的激光干涉仪测出。
为了降低伺服系统的摩擦，对导轨、丝杠螺母副以及丝杠和伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压支承结构（图2）。伺服电机的若采和定子用空气冷却，使运行时由发热引起的温升控制在抗0.1℃下。

! |* g' i& V1 o0 _7 b, H, P为了防止丝杠转动时的根摆影响到滑鞍运动的平稳性，所用的空气静压螺母不直接固定在滑鞍上。而是通过其两端的与床鞍桥板联接的叉形气垫支承块来传递轴向运动，而其他方向均无约束，从而消除了丝杠偏摆的影响。螺母及两个叉形气垫支承块均由气体静压支承在导轨上被引导作轴向运动（图3）。

( i$ i; C" @: L4 D7 r# m+ _0 [2. 微细加工工艺
（l）微细机械加工工艺 凸形（外）表面的微细切削大多采用单晶金刚石车刀或铣刀。刀尖半径约为100μm。图4为单晶金刚石立铣刀的刀头形状，当刀具回转时，金刚石刀片形成一个45°圆锥的切削面。凹形（内）表面的微细切削时，最小的可加工尺寸受刀具尺寸的限制，如钻孔用麻花钻可加工小至50μm的孔，更小的孔则无麻花钻商品，可采用扁钻。

# t8 H8 r3 P& }+ A5 E7 T微细加工中俯—个关键问题是刀具安装后的姿态及其与主轴轴线的同轴度是否与坐标系一致，否则很难保证微小的切除量。为此可在同一台机床上制作刀具后进行加工，使刀具的制作和微细加工采用同一工作条件，避免装夹的误差。如果在机床上采用线放电磨削制作铣刀，可以用它铣出50μm宽的槽。
' s' C7 K2 e9 c在图1微型超精密机床上，用上述工艺方法加工一个直径为1mm，高度为30μm的微型雕面像，用金刚石立铣刀加工无氧铜，刀具转速5000r/min，进刀速度粗加工为20mm/min，精加工为5mm/min，吃刀量2μm，最好的表面粗糙度可达到Ramax50nm。
* v" e- e6 m9 V1 g+ _（2）微细电加工工艺 微型轴和异形截面杆（图5）的加工可采用线放电磨削法（WEDG）加工。它的独特的放电回路使放能仅为一般电火花加工的1/100。图6为WEDG加工微型轴的原理，电极线沿着导丝器中的槽以5～10mm/min的低速滑动，就能加工出圆柱形的轴。如导丝器通过数字控制作相应的运动，就能加工出如图5所示的各种形状的杆件。
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如需获得更为光滑的表面，则可以在WEDG加工后，再采用线电化磨削法（WECG），它是用去离子水在低电流下去除极薄的表面层。
. s- b* r; @9 F3 {6 U' H. p微细电火花加工（MEDM）所用的机床如日本松下电气产业公司的MG-ED71，它的定位控制的分辩率为0.1μm，最小加工孔径达5μm，表面粗糙度达0.1μm。加工节径300μm、厚100μm的9齿不锈钢齿轮时，先用φ24μm的电极连续打孔加工出粗轮廓，再用φ31mm电极按齿形曲线扫描出轮廓，精度达±3μm。也可用它加工微型阶梯轴，最小直径为30μm，加工的键槽截面为10μm×10μm。
: x  u7 t) N1 U% H$ C8 {8 t加工微小零件的电极应在同一台电加工机床上制作，否则由于电极的连接和安装误差很难加工出小于直径100μm微型孔。如在微细电火花机床上加工电极或超声加工工具，就可加工出5～10μm微型孔。图7示出在一台冲模机上用WEDG法制作出电火花加工所用的电极，以此做出凹模，并用与做电极相似的方法做出凸模，即成为一套冲模，生产出所需的微型零件。

  L2 S8 d7 ?& n* k5 h! Q9 P微细电加工与微细机械加工相比虽材料切除率较低，但加工尺寸能更细小，孔的长径比更大可达5～10，尤其对于微细的复杂凹形内腔加工更有其优越性。
2．光化掩膜加工
8 l+ V* l0 z+ m1. 光刻加工
5 Z) M* u* P- X2 _光刻加工是对薄膜表面及金属板表面进行精密、微小和复杂图形加工的技术，用它制造的零件有：刻线尺、微电机转子、电路印刷板、细孔金属网板和摄像管的帘栅网等。其主要工艺过程如图1所示。它是利用光致抗蚀剂化学反应特点，在紫外线或激光照射下，将照相制板（掩膜板）上的图形精确地印制在涂有光致抗蚀剂的工件表面，再利用光致抗蚀剂的耐腐蚀特性，对工件表面进行腐蚀，从而获得极为复杂的精细图形，故而是半导体工业的一项极为主要的制造技术。

表1示出了采用光刻技术和微细电加工技术制造微型电机的结构和性能对比。
表1 不同方法加工的微型电机比较

① 美国麻省理工大学（MIT）在硅片制作。
② 美国犹他大学（Utah）制作。
4 @( K7 ^: q  K3 I应用光刻加工技术可以使制造的电机更微型化，且无需组装和易于实现批量生产。但由于它刻制的薄膜厚度仅有2μm，与用电火花制出的微型电机相比，由于电机的电极面积很小，因而电机的转矩仅为后者的万分之一。
2. LIGA法
$ }1 |- M3 h8 I5 x- F3 z: a为了克眼光刻法制作的零件的厚度过薄的不足，于90年代由德国卡尔斯鲁厄原子核研究所提出了LIGA法（X射线刻蚀电铸模法），它是由德文的照相制掩膜、电铸制模和注射成形三个词的缩写（Lithograhic Galvanofornung Abformung）。它的工艺包括下列三个主要工序：
* D" o) Z( M' ^: A, [1）把从同步加速器放射出的具有短波长和很高平行性的X射线作为曝光光源，可在最大厚度达500μm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体（图2）。
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2）用曝光蚀刻的图形实体作电铸的模具，生成铸型。
3）以生成的铸型作为注射成形的模具，即能加工出所需的微型零件。
+ W# U( ]) a3 M. iLIGA法的制作过程的示意图如图3所示。

9 ]- R+ G% k) ]  n4 ?! S$ r由于X射线的平行性很高，使微细图形的感光聚焦深度远比光刻法为深，一般可达25倍以上，因而蚀刻的图形厚度较大，使制出的零件有较大的实用性。且X射线的波长极短小于1nm，可得到卓越的解像性能，使断面的粗糙度通常为Ra0.02～0.03μm，最小能达Ra0.01μm。此外用此法除可制造树脂类零件外，也可在精密成形的树脂零件基础上再电铸得到金属或陶瓷材料的零件。例如应用LIGA法制作直径为130μm、厚度为150μm的微型涡轮；制作厚度为150μm、焦距为500μm的柱面微型透镜，并可获得非常光滑的表面。
0 g$ N5 M: [* J) b1 X# U3 q5 i! JLIGA法与微细电火花加工相比，前者可实现极其微细的图形成形以及用于对表面光滑度有很高要求的光学零件的制造。而微细电火花加工则适宜于加工立体型面和进行行内凹的和倾斜的表面加工。
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