超精密加工技术范例.doc

超精密加工技术 ——试论述AFM，接触式粗糙度测量仪及白光干涉仪对表面粗糙度的测试原理及应用范围 1.1 AFM对表面粗糙度的测试原理 AFM 是一STM 的，它的元件和STM是共同的，如用三描的陶瓷系以及反控制器等。它和STM 最大的不同是用一個微弱作用力其敏感的微尖代替了STM尖，以探原子的微小作用力(Vander Walls’ Force)代替了STM 的微小穿流。因所以AFM 不在像STM 品必才行，AFM ，它的STM 广泛的多，因此AFM目前最被用在工界的描探式。但值得注意的是AFM 的解析度沒有STM 的好！AFM的探,一般是利用半工的平面程方法一成行的。了使探有原子的解析度，探乃呈角形，使端只具有一或定原子；使探具高敏的原子力感，角形探底部乃一前，此曲程度反映出原子力的大小。曲度的大小，常用的方法是打一雷射光上，而反射回來的雷射光則利用一能分光位置的感光二接收，如此便能得到受原子力曲的程度，而得到原子力像(AFM工艺 由美国与萨诸塞州Dynetics公司开发的Dynaflow磨料流加工工艺(AFM)是一种强迫含磨料的介质在工件表面或孔中往复运动的金属精加工工艺, 它具有广泛的应用前景。AFM当最先出现时, 它主要用于清除金属件中难于到达的内通道及相交部位的毛刺。它特别适用于加工难加工合金材料制成的结构复杂的航空元件。近年来, 它已被用于精加工流体动力元件中表面粗糙度要求达0.127μm的不能接近的内表面。AFM的基本原理：介质速度最大时, 磨光的能力也最大。这里, 夹具的结构起着重要作用, 它决定着介质速度在何处最大。夹具用于使工件定位和建立介质流动轨迹, 是精加工所选择部位而不触及相邻部位的关键所在。AFM的分类﹕ 接触式﹕利用探针和待测物表面之原子力交互作用(一定要接触)，此作用力(原子间的排斥力)很小，但由于接触面积很小，因此过大的作用力仍会损坏样品，尤其对软性材质，不过较大的作用力可得较佳分辨率，所以选择较适当的作用力便十分的重要。由于排斥力对距离非常敏感，所以较易得到原子分辨率。 (2) 非接触式﹕为了解决接触式之AFM 可能破坏样品的缺点，便有非接触式之AFM 被发展出来，这是利用原子间的长距离吸引力来运作，由于探针和样品没有接触，因此样品没有被破坏的问题，不过此力对距离的变化非常小，所以必须使用调变技术来增加讯号对噪声比。在空气中由于样品表面水模的影响，其分辨率一般只有50nm，而在超高真空中可得原子分辨率。 轻敲式﹕将非接触式AFM 改良，将探针和样品表面距离拉近，增大振福，使探针再振荡至波谷时接触样品由于样品的表面高低起伏，使的振幅改变，再利用接触式的回馈控制方式，便能取得高度影像。分辨率界于接触式和非接触式之间，破坏样品之机率大为降低，且不受横向力的干扰。不过对很硬的样品而言，针尖仍可能受损。 （成像原理图） （探针如何成像） 1.2 AFM的应用范围 AFM可以在大气、真空、低温和高温、不同气氛以及溶液等各种环境下工作，且不受样品导电性质的限制，因此已获得比STM更为广泛的应用。主要用途： 1. 导体、半导体和绝缘体表面的高分辨成像 2. 生物样品、有机膜的高分辨成像 3. 表面化学反应研究 4. 纳米加工与操纵 5. 超高密度信息存储 6. 分子间力和表面力研究 7 摩擦学及各种力学研究 8 在线检测和质量控制 2.1 接触式粗糙度测量仪对表面粗糙度的测试原理 针描法又称触针法。当触针直接在工件被测表面上轻轻划过时，由于被测表面轮廓峰谷起伏，触针将在垂直于被测轮廓表面方向上产生上下移动，把这种移通过电子装置把信号加以放大，然后通过指零表或其它输出装置将有关粗糙度的数据或图形输出来。仪器的工作原理采用针描法原理的表面粗糙度测量仪由传感器、驱动器、指零表、记录器和工作台等主要部件组成，见下图。 电感传感器是轮廓仪的主要部件之一，其工作原理见图2，在传感器测杆的一端装有金刚石触针，触针尖端曲率半径r很小，测量时将触针搭在工件上，与被测表面垂直接触，利用驱动器以一定的速度拖动传感器。由于被测表面轮廓峰谷起伏，触状在被测表面滑行时，将产生上下移动。此运动经支点使磁芯同步地上下运动，从而使包围在磁芯外面的两个差动电感线圈的电感量发生变化。? 图3为仪器的工作原理主框图。传感器的线圈与测量线路是直接接入平衡电桥的，线圈电感量的变化使电桥失去平衡，于是就输出一个和触针上下的位移量成正比的信号，经电子装置将这一微弱电量的变化放大、相敏检波后，获得能表示触针位移量大小和方向的信号。此后，将信号分成三路：一路加到