纳米级精度数控机床在太赫兹真空电子器件制造中的实验概述.pdfVIP

先进制造技术课程大作业 2016 年10 月 纳米级精度数控机床在太赫兹真空电子器件制造 中的实验概述 徐 鹏 飞 天津大学机械工程学院机械工程专业2016 级硕士生 摘要：太赫兹频段真空电子器件的尺寸很小,其加工精度和表面质量要求很高,需要采用微加工技术和一些特殊的加工工艺，常 见的微加工技术有微细电火花加工、LIG-A/UV-LIGA 和DRIE 等加工技术，本文先对常用的几种微加工技术进行了介绍，然 后对纳米级精度数控机床在太赫兹频段真空电子器件加工制造中的可行性进行探讨，并列举出国外的相关实验进程。 关键词：纳米级数控机床 太赫兹 真空电子器件 微加工技术 0 前言* 1 常用微加工技术的介绍 太赫兹波是指频率在 0. 1～10THz （波长为３ 1.1 微细电火花加工 mm～30 μm ）范围内的电磁波（简称太赫兹），太 电火花加工也称为放电加工，在加工过程中,它 赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，其独特 使工具和工件之间不断产生脉冲火花放电,利用放电 的性质将在物理、化学、信息和生物学等基础研究 时局部、瞬时产生的高温把金属材料蚀除下来,从而 领域以及材料、通讯、国家安全等技术领域，具有 对工件进行去除加工，另外,电火花加工属于非接触 [1] 加工,加工过程没有切削力的附加影响,因此非常适 重大的科学价值和广阔的应用前景 。目前，高频 真空电子器件已经应用于通信、合成孔径雷达、医 用于微小零件的成形加工。 疗、生物、等离子体成像和材料光谱分析等诸多领 对于太赫兹低频端器件,电火花技术是一种主要 域。 的加工手段。例如,W 波段、140 GHz 和220 GHz 折叠 太赫兹频段慢波设备的微观结构尺寸很小，尺 波导的慢波结构和束流通道均可采用电火花加工。 寸误差的容忍度约为 10 μm ，同时由于太赫兹频段 但是,当电火花加工的表面粗糙度较小时,由于 电磁波的趋肤深度很小 （1THZ 时，趋肤深度约为 表面受到瞬时高温作用并迅速冷却收缩而产生拉应 70nm ），对表面粗糙度的要求也很高。因此,对于太 力,往往出现显微裂纹。此时,需要采用表面处理技 赫兹器件,采用高精度、高质量的微加工方法制作是 术。 极为重要的。 1.2 LIGA/UV-LIGA 技术 应用于慢波设备微细加工的方法有很多，比如 LIGA 工艺可以实现较大的纵向尺寸与较大深宽 微细电火花加工技术、DRIE 技术和LIGA/UV-LIGA 比器件结构的加工,并且能够做到侧壁陡直、均匀一 技术等等。最近，添加制造技术（3D 打印技术）也 致,加工平面具有光滑性。一般情况下,LIGA 技术的 正在进行慢波设备微细加工的摸索实验。 加工精度在 0.1 μm,表面粗糙度约为几十个纳米水 但是，一般人都忽略了数控加工的方法。大家 平。但是,该技术中的同步辐射X 射线源使得加工成 普遍认为，直接加工不能满足高频真空电子器件的 本高昂。为了降低加工成本,已开发出UV-LIGA 技术。 公差和表面粗糙度的要求。然而，经过实验证明， 由于LIGA/UV-LIGA 技术具有较好的加工精度和 数控机床加工方法能够达到高频电子器件的要求， 表面质量,因此它适用于较高频器件的加工。例如, 同时还能满足热电性能的规定。国外已经有人使用 对于 220,400,670 GHz 的折叠波导慢波电路,采用 纳米级超高精密数控机床建立了交互式结构的高频 UV-LIGA 能够获得非常精确的慢波结构。对于栅格型 电子器件。