电射流掩膜加工内壁微结构的仿真与实验研究

针对内壁微结构加工技术中机械振动加工、激光加工等均为逐点加工,加工效率低,以及由机械或高热主导的材料去除过程存在"翻边"和重铸层现象,导致加工质量差等问题,创新性地提出基于球状阴极喷嘴的电射流掩膜电解加工方法加工内壁微结构。通过设计阴极喷嘴的结构使其形成具有一定跨度的扇状射流并利用数控运动平台实现阴极喷嘴的左右摆动扫描待加工曲面,提高了加工效率及精度;采用活动柔性掩模板代替传统的光刻胶掩膜,解决了传统掩膜制备工艺难以适应曲面结构的问题。利用comsol多物理场仿真软件对阴极喷嘴的流场进行优化分析,并进行一系列的验证实验。经实验表明,该方法能实现高效、高精度电解加工内壁微结构,达到了设计要求,验证了其可行性。     

单晶硅表面微结构纳秒脉冲激光加工研究

以单晶硅为对象,使用波长355 nm、脉宽15 ns的纳秒激光对单晶硅进行烧蚀加工试验研究.基于单因素法设计并完成了单晶硅纳秒脉冲激光直线刻蚀试验,探究了激光输出功率、激光脉冲重复频率、激光扫描速度和扫描次数对纳秒脉冲激光加工单晶硅表面形貌的影响规律.基于优化的加工工艺参数,在单晶硅表面制备出方形阵列的微结构.     

基于飞秒激光双光子的微齿轮加工技术研究

针对传统加工方法很难实现微机电系统(Micro electromechanical systems,MEMS)零部件高质量加工的问题,在微细加工技术研究基础上,提出采用飞秒激光双光子聚合加工技术加工标准渐开线微齿轮的方法.采用钛蓝宝石激光器自行搭建的飞秒激光双光子加工系统,能够输出波长为800 nm的飞秒激光用于双光子聚合加工,利用AutoCAD软件设计标准渐开线微齿轮,通过理论和试验两种方法研究激光功率与单个固化点尺寸之间的关系,进而研究扫描步距与加工精度和表面粗糙度之间的关系,结果表明,激光功率越小,加工分辨率越高;扫描步距越小,加工变形越大,但表面质量提高.采用优化后的加工工艺参数加工出高质量的标准渐开线微齿轮,其表面粗糙度Ra27.66 nm.因此,飞秒激光双光子加工技术能够为微齿轮或其他MEMS零部件的加工提供一条有效途径.     

硬质合金刀具表面微结构的激光加工研究

硬质合金刀具常用来加工难加工材料,通过刀具表面织构化技术可以提高硬质合金刀具的耐磨性和加工性能。激光加工技术作为一种快速非接触自动化加工技术,可以在硬质合金刀具表面上加工出微结构。本文主要研究平均功率、扫描速度、脉冲频率、离焦量、扫描次数这五个工艺参数对硬质合金刀具微结构尺寸及形貌的影响,从而选定最优的激光加工工艺参数。实验结果表明:随着平均功率的增大,微沟槽的深度和宽度都在增加,但功率过大导致严重烧蚀使底侧面形貌不平整;扫描速度和脉冲频率的增加都会使得微沟槽的深度和宽度呈现减小的趋势,过大的扫描速度使得底面形貌不连续,随着脉冲频率和扫描次数的增加,沟槽底面形貌变得平整;离焦量从0mm变化到-1. 2mm时,微沟槽的宽度缓慢增大,深度则先增大后减小,底面形貌由连续变成稀疏的孔洞。通过优选出的激光加工硬质合金刀具工艺参数,制备出了良好的刀具表面单一型和混合型微结构。     

飞秒激光切割与微细电阻滑焊组合制备三维金属微结构

提出了一种采用飞秒激光切割结合微细电阻滑焊制备3D金属微结构的工艺方法(微型化双工位金属箔叠层制造法,(Micro-DLOM)),并通过制备具有复杂形状的3D微型腔模具验证了该工艺方法的可行性。首先,以厚度为10μm的0Cr18Ni9不锈钢箔为基材,在110mW的飞秒激光功率、100μm/s的切割速度和0.75μm的切割补偿量下获得二维微结构,并分析了激光功率和切割速度对切割精度的影响;然后,利用微细电阻滑焊对多层二维微结构进行热扩散焊接,通过多层二维微结构的叠加拟合形成具有曲面特征的微型腔,并对焊接区进行了X射线衍射(XRD)分析。分析发现:微细电阻滑焊所产生的热量仅使焊接区主要物相的相对含量发生了变化,而没有使该区域产生新的物相。与UV-LIGA工艺相比,本工艺可以加工具有自由曲面特征的三维微结构,并且单层钢箔越薄,成形精度越高;与飞秒激光分层平面扫描烧蚀工艺相比,本工艺仅需切割每层二维结构的轮廓,提高了成形效率;与微细电火花加工工艺相比,虽然所成形的微型腔表面粗糙度相对较差,但却省去了制备微电极的工艺步骤,并且不存在微电极工作过程中的损耗问题,所以可以加工深宽比不受限制的微模具。     

Fabrication of 3D metal micro-structure based on fs laser cutting and micro electric resistance slip welding

提出了一种采用飞秒激光切割结合微细电阻滑焊制备3D金属微结构的工艺方法(微型化双工位金属箔叠层制造法,(Micro-DLOM)),并通过制备具有复杂形状的3D微型腔模具验证了该工艺方法的可行性.首先,以厚度为10 μm的0Crl8Ni9不锈钢箔为基材,在110 mW的飞秒激光功率、100 μm/s的切割速度和0.75 μm的切割补偿量下获得二维微结构,并分析了激光功率和切割速度对切割精度的影响;然后,利用微细电阻滑焊对多层二维微结构进行热扩散焊接,通过多层二维微结构的叠加拟合形成具有曲面特征的微型腔,并对焊接区进行了X射线衍射( XRD)分析.分析发现:微细电阻滑焊所产生的热量仅使焊接区主要物相的相对含量发生了变化,而没有使该区域产生新的物相.与UV-LIGA工艺相比,本工艺可以加工具有自由曲面特征的三维微结构,并且单层钢箔越薄,成形精度越高;与飞秒激光分层平面扫描烧蚀工艺相比,本工艺仅需切割每层二维结构的轮廓,提高了成形效率;与微细电火花加工工艺相比,虽然所成形的微型腔表面粗糙度相对较差,但却省去了制备微电极的工艺步骤,并且不存在微电极工作过程中的损耗问题,所以可以加工深宽比不受限制的微模具.     

金刚石飞切加工微结构表面的工艺参数优化

为了获得具有纳米级表面质量的微结构表面,利用‘Nanosys-300'超精密复合加工系统实现了微结构表面的三维金刚石飞切加工,研究了主轴转速、进给量以及背吃刀量对微结构表面粗糙度的影响.理论分析表明,金刚石飞切加工微结构时理论表面粗糙度沿法线方向并没有变化,而沿进给方向存在着周期变化.减小进给量和金刚石飞刀前端角或增大切削半径可以降低理论粗糙度值.实验分析表明,表面粗糙度值Ra随进给量的增加而增加,主轴转速对Ra影响不大.切削聚碳酸酯(PC)时,在5～40 μm Ra随背吃刀量的增加而增加;而切削铝合金(LY12)时,在2～10 μm Ra随背吃刀量的增加而减小.实验中Ra最好可达38 nm(LY12)和43 nm(PC).最后,利用优化工艺参数加工出了微沟槽阵列和微金字塔矩阵微结构.     

基于准分子激光的微结构与微器件加工制作研究

介绍了准分子激光微加工的机理,设计并研制了步进控制的二维微动扫描台,建立了一种基于准分子激光的微加工装置,通过计算机控制扫描路径,可实现点、线、面等基本微结构以及组合型微结构、微器件的加工制作。利用该准分子激光微加工装置,进行了微结构和微器件的加工实验,成功加工制作出齿轮形微结构和微型无芯薄膜变压器件。准分子激光微加工装置具有加工效率高、加工切口平整、可实现各种形状的微结构与微器件的加工等特点,可望在微机电系统（MEMS）及微纳米技术领域得到广泛应用。     

金刚石飞切加工微结构表面的表面粗糙度研究

为了获得具有纳米级表面质量的微结构表面,利用‘Nanosys-300’超精密复合加工系统实现了微结构表面的三维金刚石飞切加工,研究了主轴转速、进给量以及背吃刀量对微结构表面粗糙度的影响。通过对理论表面粗糙度分析可知：金刚石飞切加工微结构时理论表面粗糙度沿法线方向并没有变化,而沿进给方向存在着周期变化。减小进给量f和金刚石飞刀前端角ε或增大切削半径可以降低理论粗糙度值。实验分析结果表明：表面粗糙度值Ra随进给量的增加而增加,主轴转速对Ra影响不大。切削PC时,在5μm-40μm范围内,Ra随背吃刀量的增加而增加;而切削LY12时,在2μm-10μm范围内,Ra随背吃刀量的增加而减小。实验中Ra最好可达38nm（LY12）和43nm（PC）。最后利用优化工艺参数加工出了微沟槽阵列和微金字塔矩阵微结构。     

微结构功能表面的金刚石超精密加工仿真与试验

为解决微结构功能表面的金刚石超精密加工过程中,难以经济而灵活地预测表面质量及加工条件对加工表面质量的影响的问题,以自行设计的带有快速伺服刀架的超精密机床为基础,采用Matlab/ Simulink模块建立正弦波微结构功能表面金刚石超精密加工过程的动态仿真模型。利用该模型,不仅可以预测加工表面质量,还可以对加工条件如进给速度、主轴转速对加工表面质量的影响进行仿真进而对加工条件进行优化。通过微结构功能表面的金刚石超精密切削加工验证试验,加工出表面粗糙度约为45 nm、形状精度约为0.65 µm的正弦波微结构功能表面,试验结果表明,该模型的建立对于微结构功能表面的金刚石超精密加工具有重要的指导意义。     

快速成型制作的时间分析及多零件制作的组合布局优化研究

由于快速成型系统的运行成本很高,需要研究缩短零件的制作时间和减小制作成本的方法。基于SOUP600GH光固化成型机,介绍了零件具体的制作过程和制作时间组成,分析了零件制作方向、分层厚度以及激光扫描速度等因素对优化制作效率的影响。通过10组多零件制作实验,对每组单个零件的平均制作时间进行分析对比,指出了多个零件同时制作对提高制作效率的显著作用,进而主要从减少辅助制作时间的角度研究了多零件制作组合布局优化的准则和方法,并用矩形包络简化布置的方法建立了二维布局优化的数学模型。研究表明,多零件制作及其组合布局优化对提高快速成型的制作效率和降低制作成本都具有重要意义。     

Experimental study on integration of laser-based additive/subtractive processes for meso/micro solid freeform fabrication

Solid freeform fabrication has attracted considerable attention lately because of its ability to build a 3D structure with a complex and arbitrary shape. This work presents initial studies to adapt this technology for the fabrication of meso-/micro-3D structures. A pulsed Nd:YAG laser was used for laser microdeposition (additive) and micromachining (subtractive) processes. An ultrasonic-based micropowder feeding system was developed to generate precise patterns of micropowders on a substrate without any pre-processing. Laser microdeposition of copper and stainless steel micropowders was accomplished. The characterization of micromachining was performed on stainless steel and copper plates with a laser beam of wavelengths of 355 nm and 266 nm. The integration of laser microdeposition and micromachining processes improved the resolution and edge quality of the meso-/micropatterns.     

基于图像反卷积的平板探测器信号串扰校正

平板探测器是锥束CT的关键组成部件，像元间的信号串扰是造成平板探测器投影图像空间分辨率低于极限值的主要因素，校正平板探测器信号串扰对提高锥束CT检测精度具有重要意义。本文基于点扩散函数矩阵反卷积投影图像去串扰校正思路，研究了点扩散函数矩阵的准确性对投影图像串扰校正的影响、点扩散函数和线扩散函数的关系及其与X射线成像的相似性，提出一种结合刀口法测量线扩散函数与平行束CT扫描重建的平板探测器点扩散函数矩阵测算方法。DR/CT扫描成像实验中，应用本文方法校正信号串扰后，DR成像空间分辨率由约10 lp/mm提升至优于25 lp/mm,高能CT成像空间分辨率由不到4 lp/mm提升至优于5 lp/mm,实验证明，应用本文方法能有效校正平板探测器信号串扰，提升锥束CT图像的空间分辨率和对比度。     

A New Method of Non-Contact Measurement for Microtopography in Semiconductor Wafer Implementing a New Optical Probe Based on the Precision Defocus Measurement

In this paper, a new method of non-contact measurement has been developed for 3D topography for a semiconductor wafer, implementing a new optical probe based on precision defocus measurement. The developed technique consists of the new optical probe, precision stages, and the measurement/control system. The basic principle of the technique is to use the reflected slit beam from the specimen surface to measure the deviation of the specimen surface. The defocusing distance can be measured by the reflected slit beam, where the defocused image is measured by the proposed optical probe, giving very high resolution. A distance measuring formula has been proposed for the developed probe, using the laws of geometric optics. A precision calibration technique has been applied, giving about 10 nm resolution and 72 nm four-sigma uncertainty. In order to quantitise the micro pattern on the specimen surface, some efficient analysis algorithms have been developed to analyse the 3D topography pattern and some parameters of the surface. The developed system has been successfully applied to measure the wafer surface, demonstrating the line scanning feature and the excellent 3D measurement capability.     

全频段亚纳米精度氟化钙材料加工

考虑用CaF_2材料制作投影光刻物镜可以明显提高其性能指标,本文研究了CaF_2材料加工工艺的全流程,以实现CaF_2材料的全频段高精度加工。首先,利用沥青抛光膜和金刚石微粉使CaF_2元件有较好的面形和表面质量。然后,优化转速、抛光盘移动范围、压力等加工工艺参数,并使用硅溶胶溶液抛光进一步降低CaF_2元件的高频误差,逐渐去除加工中产生的划痕并且获得极小中频误差(Zernike残差)和高频粗糙度。最后,在不改变CaF_2元件高频误差的同时利用离子束加工精修元件面形。对100mm口径氟化钙材料平面进行了加工和测试。结果表明:其Zernike 37项拟合面形误差RMS值可达0.39nm,Zernike残差RMS值为0.43nm,高频粗糙度均值为0.31nm,实现了对CaF_2元件的亚纳米精度加工,为研发高性能深紫外投影光刻物镜奠定了良好基础。     

扫描电化学池显微镜阿基米德螺旋快速扫描方法的研究

针对现有扫描电化学池显微镜(scanning electrochemical cell microscopy, SECCM)的扫描方法在扫描成像快速性上的不足,提出一种基于阿基米德螺旋线的新型SECCM快速扫描方法。传统跳跃扫描模式的跳跃高度是在没有先验知识的情况下靠人工经验设定的,为了避免碰撞其取值往往偏大,因此设置的扫描行程越长,消耗时间越久,速度慢、效率低。利用螺旋线轨迹预扫描快速获得待测平面的最高点,进而有效地降低了传统跳跃模式的跳跃行程,大幅提高了SECCM的扫描成像速度。此外,以螺旋线轨迹高速运动来检测最高点时,轨迹具有无冲击、因此样本运动过程无偏移,该扫描方法具有成像稳定性高的优点。通过带状金属表面成像实验表明,相对于传统跳跃扫描模式,阿基米德螺旋扫描方法在保证成像质量的同时扫描速度提高了约110%。可见提出的方法对提升SECCM扫描速度和成像质量有着重要的意义。     

A multi-probe micro-fabrication apparatus based on the friction-induced fabrication method

A novel multi-probe micro-fabrication apparatus was developed based on the friction-induced fabrication method. The main parts of the apparatus include actuating device, loading system, and control system. With a motorized XY linear stage, the maximum fabrication area of 50 mm × 50 mm can be achieved, and the maximum sliding speed of probes can be as high as 10 mm/s. Through locating steel micro balls into indents array, the preparation of multi-probe array can be realized by a simple and low-cost way. The cantilever was designed as a structure of deformable parallelogram with two beams, by which the fabrication force can be precisely controlled. Combining the friction-induced scanning with selective etching in KOH solution, various micro-patterns were fabricated on Si(100) surface without any masks or exposure. As a low-cost and high efficiency fabrication device, the multi-probe micro-fabrication apparatus may encourage the development of friction-induced fabrication method and shed new light on the texture engineering.     

用于数码三维衍射图像的激光照排系统

研制了一种新型的用于数码三维衍射图像与光学可变图像的激光照排系统,采用空间光调制器(SL M)和全息干涉成像光学头进行子图输入和干涉条纹产生,系统在6 35 dpi图像分辨率下的运行效率达2 0 0 0 dot/s以上,该系统将为高效率制作2 D,2 D/3D和3D光变图像提供一种良好的工具。     

基于圆环磁体阵列的线型零磁场系统研究

磁性粒子成像是一种新型示踪剂成像技术,该技术利用磁性粒子在零磁场中的非线性磁化特性对被测物进行成像,其中零磁场的精细度决定其空间分辨率,而零磁场的精细度由空间磁场梯度决定。为了提高空间分辨率,设计了能产生大磁场梯度的静磁场结构,将其与驱动结构组合成线型零磁场系统。首先设计了基于圆环磁体阵列的静磁场结构,利用大梯度的静磁场构造精细线型零磁场;其次设计了基于亥姆霍兹线圈的驱动结构及其驱动方式,确定线型零磁场扫描范围与驱动电流之间的关系;最后计算线型零磁场系统的空间分辨率,研究磁场梯度、粒子粒径与空间分辨率之间的规律性。实验结果表明:基于圆环磁体阵列的静磁场结构产生的磁场梯度为4.804 T/m,当使用30 nm磁性粒子作为示踪剂时,系统的空间分辨率为0.540 mm,此时线型零磁场能在30 mm的范围内对被测物进行平移扫描。证明了基于圆环磁体阵列的线型零磁场系统用于提高磁性粒子成像分辨率的可行性。