关键词： 复合加工   激光加工   微铣削   慢波结构   激光加工仿真  

摘要： 慢波结构是太赫兹辐射源的核心部件，是一种由S形槽和直槽相贯组成的微结构，由于尺寸微小、深宽比大，且在塑性好、刚性差的弥散无氧铜上制得，属于典型的难加工器件。目前慢波结构的加工以微铣削技术为主，然而微铣削加工全周期慢波结构的探索中存在刀具磨损严重、换刀频繁和加工效率低等问题，为解决这些问题，本文提出了紫外纳秒激光-微铣削复合加工的研究思路，通过理论分析、仿真模拟与工艺试验相结合的方式展开研究。　　利用SEM表征分析激光加工表面形貌的生成特征，建立包含多种力效应（反冲压力、马兰戈尼力、表面张力等）、材料相变及熔融流动的紫外纳秒激光与弥散无氧铜相互作用的仿真模型，系统研究激光加工过程中的峰值温度场分布、烧蚀形貌动态生成过程以及激光加工参数对材料烧蚀深度和烧蚀形貌的影响规律，预测得到激光加工过程中的最大热影响区宽度。采用与仿真相同功率条件下的烧蚀实验对仿真模型进行验证。　　设计面向慢波结构S形特征结构的多种扫描策略，优选确定变角度扫描为最优策略。基于激光加工参数对目标结构特征的影响展开研究，利用响应曲面实验建立激光加工参数与槽深、槽宽、加工表面粗糙度和显微硬度之间的数学模型，以槽深和显微硬度为主要优化目标，优化确定最优激光加工参数。利用优化参数开展实验，验证得到槽深和显微硬度模型的准确性分别可达95.83%和95.65%以上。为确定激光加工产生的热影响区阈值，通过金相组织分析和显微硬度测试得出最大功率、最低扫描速度和最高扫描次数时热影响区的单边宽度在10μm以内。　　分析得到受力模式和材料硬度对激光-微铣削复合加工的影响，基于酸洗法对激光加工材料表层硬度进行弱化。为保证复合加工的效果，基于激光加工的全周期慢波结构，采用CCD辅助完成对刀，通过交替铣削和往复铣削规划铣削路径，利用尺寸补偿解决复合偏差问题。以刀具失效程度、铣削力、槽底表面质量和槽顶毛刺宽度为特征量对比分析纯微铣削与激光-微铣削复合加工的实际效果，验证复合加工的优势。通过增加每次走刀的背吃刀量和延长每把微铣刀的加工周期，采用分段加工的方法加工得到全周期（75周期）慢波结构，样件侧壁垂直度可达89.24°，尺寸精度＜±2μm，槽底粗糙度＜25.5nm。与纯微铣削相比，复合加工微铣刀消耗量从9把以上降低至3把，加工时长由24小时以上缩短至4小时左右。

关键词： 数字微镜阵列   二元全息   快速微纳加工   多焦点并行   大面积  

摘要： 过去二十年,飞秒激光微纳加工技术作为一种超精准激光3D打印方法,已被广泛用于制造各种微/纳米结构,在微机电系统(MEMS)器件,生物医学工程,光子器件,光学超材料等领域中的应用快速增长,为关键的基础研究和前沿研发方面提供了重要的技术支撑作用。然而,由于传统激光加工技术通常采用单焦点扫描方式,利用精密位移平台或者振镜来实现具有不同几何形貌的结构,其操作成本较高、加工速度受限于激光扫描顺序,在加工复杂中空结构(例如八角形桁架结构)时,缺点更为明显,使得该技术难以投入实际的大面积制造中。在本工作中,结合二元计算全息技术,利用数字微镜阵列(DMD)实现了任意三维结构的超快激光微纳加工技术。通过计算二元全息图案加载到DMD上,对照射到DMD上的飞秒激光进行波前调制,可以同时生成并独立控制多个激光焦点,在20 k Hz的DMD刷新频率下并行加工。仅需1 s即可输出20000×N个激光焦点(N为并行焦点个数)用于加工三维结构。在实验中对加工系统的性能参数(最大加工视场和最小加工步长)和分辨率作出表征,利用该加工技术快速制备四阶超临界透镜和微管道结构,并在实验中展示了三维结构的大面积快速制造。本论文的主要工作可以概括为以下几个方面:(1)从高NA物镜紧聚焦下的光场理论出发,推导得出焦点在焦平面空间三维位置偏移对应入瞳处的复振幅分布,结合二元计算全息技术,对加载在DMD上的二元全息图进行计算和仿真。在该理论推导的基础上,提出了一种基于DMD的多参量可调光场的计算方法。(2)设计基于DMD快速微纳加工系统光路并实现色散补偿;分析并计算系统的加工性能(最大加工视场和最小扫描步长)。通过在不同功率下加工多组悬空线表征系统的横向分辨率和轴向分辨率,分别利用单焦点快速加工二维平面结构和不同复杂度的三维结构,加工时间均在几秒钟之内完成。实验中分别利用单焦点和多焦点并行加工三维结构,从实验结果可以看出,并行加工并不会导致分辨率的降低和结构的变形,而只需通过提高激光功率的输出,即可将加工速度进一步提高。(3)依据加工系统的分辨率数据,提出了一种更简单、高效的四阶相位加工方法,以满足四阶相位型超临界透镜中不同阶数的相位差条件,且单个超构透镜制造时间仅需2 s。从光学表征可以看出,实验测量与理论模拟的基本吻合。结合位移平台的移动定位,在短时间内制备了大面积的四阶相位型超临界透镜阵列。此外,对不同尺寸、排列方式以及复杂度的微管结构进行超快制造。验证了基于DMD的快速微纳加工系统优异的加工性能。

关键词： 微纳加工   介电击穿   PMMA   电压改性  

摘要： 微纳加工技术的发展,重构了人类对于世界的认知,改变了人类的生活方式。目前微纳加工技术比较突出的应用当属于光刻技术和电子束曝光技术。根据芯片加工的需求,光刻技术不断往纳米量级发展,其精度和技术复杂度要求极高。但是,随着各类纳米器件加工需求的增加,更加易用和更容易获取的微纳加工技术的发掘和使用尤为必要,例如纳米压印技术、模板光刻技术和水基冰刻技术等。因此,受原位固态纳米孔加工技术的启发,本文开发了一套基于介电作用的液体微纳加工的技术,利用纳米移液器作为加工的探针,通过三维电动位移台控制纳米移液器进行纳米孔加工和PMMA小电压改性。本文首先介绍了液体微纳加工系统、探针制备和芯片基底制备。该部分开展了在加工芯片硅基底上制备光刻标尺工艺的研究,作为后续原子力显微镜的定位依据,便于器件制备和加工效果的表征。掌握了硅基材料的光刻工艺,依次通过匀胶、曝光、显影、刻蚀等步骤,在芯片硅基底上制备出蚀刻深度为230 nm(台阶仪测得)的标尺。研究了纳米移液器激光拉制的工艺,制备出了尖端孔径为1～2μm的纳米移液器,并结合课题组构建的三维纳米驱动平台和电源系统,与拉制的纳米移液器一起构建出了用于纳米孔加工和小电压改性液体微纳加工系统。其次,本文基于介电击穿的方法,快速制备了PMMA薄膜纳米孔。该部分系统性的研究了PMMA薄膜的制备技术,探讨了影响薄膜厚度的关键参数。通过纳米移液器在PMMA薄膜上产生局部高电场,该电场可用于纳米孔阵列的快速制备。经过研究分析发现所制备纳米孔的直径与施加的电压和电流均成正比,其中电流对制孔的过程影响更大。电压主要决定击穿的时间,而电流则会使功率增加,导致产生更多的热击穿的过程。根据IV曲线,得出纳米孔是锥形孔(上大下小)的结论。利用原子力显微镜对纳米孔上半部分的形貌进行表征,通过公式计算底部的孔径最小为0.3 nm,因此证明该方法可以在PMMA膜上制造亚2 nm纳米孔的。最后,基于PMMA薄膜小电压改性的原理,研究了弱电场对PMMA薄膜的光刻作用,探索该液体微纳加工系统用于光刻的可行性。该部分工作是介电击穿法制备纳米孔的延伸,讨论不同电压作用下的介电击穿效应,通过与电子束曝光原理对比分析,原位IV扫描检测薄膜电学性质的变化,验证了小电压改性的可行性。论文的研究既学习了传统光刻工艺制备硅基底的工艺,又基于介电作用研究了PMMA薄膜纳米孔制备和PMMA薄膜电压改性的工作,探索了新型微纳加工技术的可行性,对后续研究学习、工作积累了丰富的经验。

关键词： 特种加工  

ISBN: (纸本)9787502488826

摘要： 全书系统讲述了精密加工方法，将超精密微加工法和表面加工方法的基础原理和技术做了融合，包括激光束、电子束、离子束、化学刻蚀、沉淀法、磁控溅射、精密镀等方法，增添了新技术现状并做有效提炼，还介绍了本领域国内外的最新发展和成就，并对新工艺进行展望。

关键词： 视频   混合教学模式   微纳加工技术   应用探索  

摘要： 互联网技术的飞速发展,对传统的实验型课程的教学方式带来了挑战。微纳加工技术作为本科和研究生阶段的专业课程,包含大量的实验操作内容,涉及贵重的精密仪器。传统的讲授和现场操作演示教学方法已经无法满足高层次人才培养的需求。本文对传统的课堂教学方式面临的问题和挑战进行了总结,为了提高微纳加工技术实验型课程的教学质量,探讨了课堂和视频相结合的新教学模式在微纳加工技术实验教学中的应用。

关键词： 特种加工  

ISBN: (纸本)9787122369406

摘要： 本书综合了近年来机械微加工和微纳加工领域的国内外新理论、新技术、新成果。全书介绍了微切削加工技术, 微细电加工技术, 激光的微纳米加工技术, 面向MEMS与NEMS应用的金刚石CVD技术, 纳米机械加工原理、方法与实现 ; 还重点介绍了微纳米加工光刻技术、沉积法图形转移技术、刻蚀法图形转移技术、薄膜沉积技术、自组装纳米加工技术、微纳米加工技术的应用等内容。本书内容丰富、语言精练, 具有较强的实践指导意义和实用价值。

关键词： 电子束曝光   冰刻   冰刻仪器系统   三维微纳加工   无溶剂微纳加工   微纳光学器件  

摘要： 微纳加工技术的发展极大提升了人类认识与改造微观世界的能力。作为最常用的微纳加工方法之一,电子束曝光技术凭借其高分辨率和相对灵活性在纳米光学、微电子学、微机械系统等领域具有广泛应用。不过,传统的电子束曝光工艺流程繁复,适用范围有限,在面对日新月异的纳米技术发展与器件加工要求时显得力不从心。为此,一系列新兴的微纳加工技术应运而生,其中就包括以纳米冰层替代光刻胶来进行电子束曝光的冰刻。冰刻在工艺流程简化、原位加工、非平面和易碎衬底加工等方面具有独特优势。然而,作为一种新兴的技术,目前对冰刻技术的研究还存在很多局限。比如,冰刻仪器系统的设计还有待完善,对冰刻中工艺现象与问题的认识还不充分,对冰刻工艺的挖掘和与其它微纳加工技术的结合还不够深入,以及冰刻在微纳器件加工中的应用还不够丰富等。因此,本文从冰刻仪器系统的设计与搭建出发,将电子束曝光原理、各类微纳加工技术思想和冰刻技术特点相结合,在冰刻的三维微纳加工、无溶剂微纳加工、相关工艺问题和微纳光学器件应用等方面进行了系统性研究。在冰刻仪器系统方面,本文介绍了冰刻仪器系统的设计原理、实施方案、操作方法和参数表现。通过将商用扫描电镜与热蒸发镀膜设备和外接组件连接,构成了运行稳定、操作便利的冰刻仪器系统。进一步利用该系统实现了冰刻基本工艺流程,在冰层上曝光了宽20nm,深宽比高达17:1的密集线条阵列,并实现了平均宽度27nm的银纳米线加工。本文还定量分析了曝光剂量和加工粗糙度等指标,对冰刻中常见的冰层异常和曝光图案失真等工艺问题进行了分析和解决。在冰刻的三维微纳加工方面,本文提出冰刻基于多层套刻和灰度曝光两种策略来实现三维微纳加工的方案。在多层套刻方案中,本文基于冰刻误差小于100 nm的原位对准能力和冰层的物理特性实现了金字塔形三维微纳结构的加工,与传统电子束曝光相比大幅简化了工艺流程。在灰度曝光方案中,本文首次测定了水冰的曝光对比度曲线,测得了冰层在5 kV和20 kV加速电压下的对比度分别低达1.74和2.24,并通过调制曝光剂量分布形成三维冰层图案,实现了蘑菇形三维结构和桥形悬空结构的加工。本文还对冰刻在三维微纳加工中的相关工艺问题进行了分析和解决。在冰刻的无溶剂微纳加工方面,本文提出通过吹离取代传统方法中的溶剂剥离法,实现了全过程中无溶剂的冰刻加工,进一步简化了冰刻工艺流程。在光学器件应用方面,该方法用于钙钛矿基光学器件的加工,有效避免了传统加工方法中极性溶剂对钙钛矿材料的破坏,得到了目前具有最小金属电极间距(227 nm)的钙钛矿横向光电导探测器,响应率达76 A/W;用于光纤端面和微纳光纤侧面的微纳结构加工,得到了集成超表面的环境折射率传感光纤,灵敏度达187.4 nm/RIU。本文还对无溶剂冰刻中的相关工艺问题进行了分析,提出了合理设计曝光图案和冰层厚度以加工准三维结构的方法。本论文通过对冰刻微纳加工技术的系统性研究,深化了对冰刻各技术要素的理解,展示了一系列通过冰刻技术加工在不同衬底上加工的金属纳米结构,探索了冰刻在多种微纳加工场景下,尤其是三维微纳器件、钙钛矿微纳器件、光纤集成微纳光学器件等领域的应用潜力,为冰刻技术的下一步研究与发展做出了贡献。

关键词： 微纳光学元件   超精密车削   快刀伺服   终端滑模重复控制   表面散射现象   消色差技术  

摘要： 光学领域中，一般将具有规则阵列分布的微观几何形状的一类微结构表面称为微纳光学元件。随着科技产品向高性能化、高精度化、高集成化方向发展，复杂自由曲面微纳光学元件在航空航天、国防军工、生物医疗、电子制造等多个领域中有着重要的应用价值和广阔的应用前景。衍射光学、量子光学等先进的光学理论也逐步应用到光学系统中，来显著改善系统性能。因此，随着光学系统和光学理论的发展，光学元件的加工制造技术和光学性能优化技术需要不断创新与发展。　　现有光学元件超精密加工技术当中，基于快刀伺服的超精密单点金刚石车削技术是主要加工方式之一，可以加工超光滑（表面粗糙度Ra小于10 nm）、高精度（面型精度小于100 nm）的复杂光学表面。但是，随着极端制造的发展需求，快刀伺服切削技术也面临着新的挑战。首先，微纳光学元件工件尺寸极端化、表面形貌复杂度、材料多样性的要求不断提高，传统的螺旋路径的快刀伺服(Fast Tool Servo, FTS)加工工艺存在一系列问题，不能满足现代光学系统这些加工要求。传统的基于螺旋路径的切削工艺工件面型质量均一性差，加工工件尺寸受限，刀具磨损严重，伺服点数量巨多，无法满足微结构阵列的实际需求。此外，FTS控制系统的高频响特性直接影响光学元件的加工效率和加工精度。而压电陶瓷驱动装置的非线性迟滞，加工过程中切削力的干扰，主轴振动、材料各向异性等因素给FTS系统引入严重的跟踪误差，影响系统的高频响性能。以上因素限制了光学元件高精度、高效率的加工需求。　　更重要的是，光学元件的光学性能至关重要，但常常被机械加工人员所忽视。其中光学元件的表面散射效应和色差现象是其中重要的评价指标。首先，单点金刚石车削光学元件表面不可避免的存在残留刀痕微结构，对应于功率谱密度曲线的中高频误差，使光学元件发生散射现象，恶化光学性能。表面形貌功率谱密度曲线中不同频率成分的误差对光学系统的光学性能影响不同。因此，分析残留刀痕对光学性能的影响，消除车削表面残留刀痕，制造全频段误差精确可控的超精密光学表面至关重要。另一个严重影响光学系统性能的因素是色差现象，会导致成像质量模糊、畸变等缺陷。传统的消色差技术中普遍忽略了CCD采集设备中离散像素点的因素，造成CCD相机中离散像素点与实际物体中物点不是一一匹配的，使成像质量存在较大误差。解决以上这些问题对提高光学系统的光学性能有重要意义，也是光学元件超精密加工需要考虑的重要问题。　　本论文针对上述问题开展了一系列研究工作，提出了具有工程实际意义的方法和关键技术，主要内容包括以下六章：　　第一章：本章介绍了复杂自由曲面微纳光学元件的应用前景。重点讨论了基于快刀伺服的超精密切削加工方法与控制系统、车削表面质量控制和光学系统色差校正等领域的研究现状。最后概述了本论文的主要研究内容和意义。　　第二章：针对传统基于螺旋路径的快刀伺服切削技术中存在的问题，提出一种新型面向微结构阵列的快刀伺服飞切加工(Fast Servo assisted Fly Cutting, FSFC)技术，系统性地介绍了该加工技术的系统配置，工作原理，FTS伺服轨迹规划，表面创成仿真算法和敏感误差分析的内容。最后在超精密机床上进行超精密切削实验对该方法的有效性进行验证，实现三种不同的面型（球面，自由曲面，正弦面）高精度的加工制造。实验结果表明该技术可以克服传统FTS工艺中的诸多问题，可以作为微结构阵列制造的一种有效的加工方法。　　第三章：针对现有的快刀伺服控制系统高频性能较差的问题，介绍了一种新型的面向周期性微结构阵列加工的高频响控制方法—终端滑模重复控制算法，是首次将重复控制的理念引入到微透镜阵列的超精密切削加工中。该控制算法同时具备终端滑模控制抗干扰能力强、鲁棒性好的优点与重复控制高频响、无稳态跟踪误差的优点。基于MATLAB/Simulink 模块搭建快刀伺服装置实时仿真与控制系统。离线与在线控制器性能测试表明终端滑模重复控制算法具有跟踪精度高，伺服带宽高、抗干扰能力强的优点，并且加工出的透镜阵列特征尺寸误差小，并且面型精度达到亚微米级。表明该控制算法可以保证微透镜阵列高精度，高效率加工。　　第四章：系统性分析了金刚石切削过程中不可避免的产生的周期性残留刀痕微结构，对表面散射现象的影响。提出使用微射流抛光将其周期性表面纹理变成杂乱无章状态，从而达到消除光栅效应的目的，使光学性能满足光学系统使用需求。实验验证表明单点金刚石车削加工和射流抛光相结合的组合加工方式可以突破单点金刚石车削加工极限，获得中高频误差可控的光学表面，可以广泛应用在复杂曲面面的加工上。　　第五章：针对现有的消色差技术中存在的物点与 CCD 阵列中像素不匹配的问题，提出了一种基于微结构消色差透镜的成像质量优化方法，可以解决现有的消色差技术中忽略的由于CCD相机离散的像素导致的物点与CCD阵

关键词： 超构表面   微纳加工   极端制造  

摘要： 超构表面由二维平面内精心排布的亚波长单元组成,为设计超紧凑型光学元件提供了新的范式,在微型化光学系统方面显示出了极大的潜力。在不到十年时间里,超构表面由于具有超轻、超薄且能够操纵光波的各种参量以实现多功能集成的优势在多学科领域引起了广泛的关注。然而,在光学波段,高自由度、非周期、排列密集的超构单元对其加工制备提出了很多极端的参数要求,如极小尺度、极高精度、高深宽比、难加工材料、跨尺度等,这使得超构表面从实验室走向实际应用面临极大的挑战。文中总结了近些年用于超构表面各类微纳加工方法的各类方法的原理、特点和最新进展,包括小面积直写方法、大面积模板转移方法以及一些新兴的加工方法。最后,针对超构表面在加工方面的目前的挑战和未来的发展趋势进行了总结和展望。

关键词： 电子封装   微纳加工   技术教学改革   创新能力  

摘要： 微纳制造的发展对我国产业升级具有重要的战略意义,创新在技术变革中的作用不断凸显。我校电子封装技术专业开设的《微纳加工技术》课程教学过程中存在学生缺乏独立思考、学习主动性不足和创新思维受限等问题。本文为此提出了建立“以学为中心”课堂教学模式,由案例教学启发创新思维,增设开放性考题等一系列教学与考试方法改革建议,从注重知识传授向创新能力培养转变,全方位提高学生对该课程的学习成效。