微米/納米技術在機械加工中的應用
時間:2018-02-27科學技術向微小領域發展,由毫米級、微米級繼而涉足納米級,人們把這個領域的技術稱之為微米/納米技術(Micro&Nano-Technlogy)。
當前,微米/納米技術在國際上已使人類在改造自然方面進人一個新的層次,即以微米層次深人到原子、分子級的納米層次,它作為21世紀出現的高技術,發展十分迅猛,并由此開創了納米電子、納米材料、納米生物、納米機械、納米制造、納米測量等新的高技術群。
一、微米技術
1.微小尺度的設計理論研究
微型系統的設計并非簡單的機械微小化,而需要從物理及物質相互作用等方面進行重新研究,形成一整套的設計理論與方法。其研究重點應包括微動力學、微流體力學、微熱力學、微機械學、微光滸學等,并且注重現代設計方法如CA0技術、仿真與虛擬現實技術等在微型系統設計中的應用,通過上述研究,解決微型系統設計中的尺寸效應`表面效應、誤差效應及材料性能等的影響。
2.微細加工技術
微細加工技術包含超精機械加工、IC工藝、化學腐蝕、能量束加工等諸多方法。對于簡單的面、線輪廓的加工,可以采用單點金剛石和CBN(立方氮化硼)刀具切削、磨削、拋光等技術來實現,如激光陀螺的平面反射鏡和平面度誤差要求小于30nm,表面粗糙度Ra值小于1hm等。而對于稍微復雜一點的結構,用機械加工的方法是不可能的,特別是制造復合結構,當今較為成熟的技術仍是IC工藝硅加工技術,如美國研制出直徑僅為60~120um的硅微型靜電電動機等。
3.精密測試技術
具有微米及亞微米測量精度的幾何量與表面形貌測量技術亦已成熟,如具有0.01um精度的HP5528雙頻激光干涉測量系統,具有0.01um精度的光學與觸針式輪廓掃描系統等。因此,目前精密測試技術的一個重要研究對象是微結構的力學性能,
4.微系統技術
在研究微系統設計、加工、測量的基礎上,國內外較廣泛地開展了微型傳感、微執行機構、微電子信號處理等方面的研究工作,如已制作出微型力傳感器、微型泵、微電機等。
二、納米技術
納米技術通常指納米級0.1~100nm的材料、測量、控制和產品的技術。
納米技術是科技發展的一個新興領域,它不僅僅是將加工和測量精度從微米級提高到納米級的問題,而是人類對自然的認識和改造方面,從宏觀領域進人到物理的微觀領域,深人了一個新的層次,即從微米層深人到分子、原子級的納米層次。
1.納米電子技術
在過去的們年里,晶體管的特征尺寸由10mm減小到小于1um,現在可實現在一個集成片上包含100萬個單元,對于這種尺度的電子線路,宏觀規律仍舊有效,然而未來一二十年的科技發展使尺寸進一步縮小10~100倍進人到納米尺度,量子力學及電子的波動性就不能不再考慮了。
?、布{米機械技術
納米機械技術包括的領域很廣,其研究基礎包括納米加工過程的動力學模擬、納米構件與表面分子工程、納米摩擦學等,這里所指的納米機械是能實現納米尺寸上某種功能的機械,如納米制造設備及納米執行器,納米執行器能實現納米尺度的移動與定位。
3.納米材料技術
納米材料技術是發展最早且研究最深人的學科。納米材料由于其結構的特殊性,如大的表面比、小尺寸效應、界面效應、量子效應和量子隧道效應等一系列新的效應,使納米材料出現許多不同于傳統材料的獨特性能,從而使其在未來新材料上充當角色,如隱身材料,高靈敏度、高響應的傳感材料,多功能復相陶瓷材料等。
4.納米加工技術
納米加工技術的發展面臨兩大途徑:一方面是將傳統的超精加工技術,如機械加工(單點金剛石和CBN刀具切削、磨削、拋光)(電化學加工(ECM)、電火花加工(EDM)、離子和等離子體蝕刻、分子束外延(MBE)、物理和化學氣相沉積、激光束加工(LIGA)技術等向其極限精度逼近,使其具有納米的加工能力。另一方面,開拓新效應的加工方法,如STM對表面的納米加工,可操縱原子和分子,并對表面進行刻蝕。如美國的IBM公司利用STM將35個原子排出“IBM”三個字樣,且在硅片上覆蓋一層20nm厚的聚甲基丙烯甲酯(PMMA),再利用STM光刻,得到10nm寬的線條等。
5.納米測量技術
以上所涉及有關納米技術的研究,均離不開對它們的分析測試工作-納米測量技術,或稱之為納分析和納探針技術。其中,納探針技術發展迅速并較為成熟,隨著20世紀80年代STM的出現,使人們能直接觀察到物質表面的原子結構,把人們帶到了微觀世界。