超精密加工技术

1、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 是一种类似于STM 的微观技术，它的许多元件和STM是共同的，如用于三维扫描的电压陶瓷系统以及反馈控制器等。它和STM 最大的不同是用一個对微弱作用力极其敏感的微观臂针尖代替了STM隧道针尖，并以探测原子间的微小作用力(Vander Walls Force)代替了STM 的微小穿透电流。因为这样所以AFM 不在像STM 局限于样品必须为导体才行，AFM 适用于导体和非导体，它的应用范围比STM 广泛的多，因此AFM为目前最被广泛应用在工业界的扫描探针式显微

2、术。但值得注意的是AFM 的解析度并沒有STM 来的的好！AFM的探针,一般是利用半导体工业的平面制程方法一体成行的。为了使探针有原子级的解析度，探针乃呈角锥形，使顶端只具有一颗或数颗稳定原子；为使探针具高灵敏的原子力感应度，角锥形探针底部乃连接与一杠杆的前缘，此杠杆弯曲程度将反映出原子力的大小。为测量弯曲度的大小，常用的方法是打一雷射光与悬臂上，而反射回來的雷射光則利用一能区分光点位置的感光二极体来接收，如此便能得到悬臂受原子力弯曲的程度，进而得到原子力图像。(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

3、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(1) 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

4、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。(3) 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

5、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。ExpulsiveforceatomatomAttractive forceatomatom（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

6、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

7、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：一路加到指零表上，以表示触针的位置，一路输至直流功率放大器，放大后推动记录器进行记录；

8、另一路经滤波和平均表放大器放大之后，进入积分计算器，进行积分计算，即可由指示表直接读出表面粗糙度Ra值。指零表的作用反映铁芯在差动电感线圈中所处的位置。当铁芯处于差动电感线圈的中间位置时，指零表指针指示出零位，即保证处于电感变化的线性范围之内。所以，在测量之前，必须调整指零表，使其处于零位。噪声滤波的目的在于剔除一些干扰信号，如电气元件的噪声所引起的虚假信号。大量的测试表明，高于400Hz的信号即不是被测表面粗糙度所引的信号，必须从总信号中加以剔除。所以噪声滤波器是一种低通(低频能通过)滤波器，它使400Hz以下的低频信号顺利通过，而将400Hz以上的高频信号迅速衰减，从而达到滤波的目的。波度

9、滤波的目的则是用以滤掉距大于取样长度的波度，因此它是一个高通(高频能通过)滤波器，使表面粗糙度所引起的高频(相对于波度引起的低频而言)信号能自由通过。 经过噪声滤波和波度滤波以后，剩下来的就是与被测表面粗糙度成比例的信号，再经平均表放大器后，所输出的电流I与被测表面轮廓各点偏离中线的高度y的绝对值成正比，然后经积分器完成的积计算，得出Ra值，由指零表显示出来。这种仪器适用于测定0.02-10m的Ra值，其中有少数型号的仪器还可测定更小的参数值，仪器配有各种附件，以适应平面、内外圆柱面、圆锥面、球面、曲面、以及小孔、沟槽等形状的工件表面测量。测量迅速方便，测值精度高。2.2 接触式粗糙

10、度测量仪的应用范围 接触式粗糙度测量仪可对多种零件表面的粗糙度进行测量，包括平面、斜面、外圆柱面、内孔表面、深槽表面及轴承滚道等，实现了表面粗糙度的多功能精密测量。它是一种多功能及高精度的测量仪器，对设计精度有着较高的要求。3.1白光干涉仪对表面粗糙度的测试原理 干涉仪现在已经被广泛的应用到光学检验的各个领域中了。如光学系统评价,表面的粗糙度,面形和元件的微小偏移的测量都采用了干涉仪进行分析。干涉仪是一种对光在两个不同表面反射后形成的干涉条纹进行分析的仪器。它对分析光学元件和光学系统质量起着很重要的作用。它的光学部件主要由光源,分光器件,参考平面和检测平面它是通过分光器件将一个光源发出的光束分

11、成参考光束和检测光束。当两束光波即波阵面合成在一起时,其合成后的光强的分布将由波阵面的振幅和相位来决定。由于相位差的变化产生了明暗相间的干涉图样。而相位差是由于两束光经过的反射路径后形成的光程差造成的。通过分析这样的干涉图样我们就可以经过计算得出图样中的任何一点的光程差。而光程差的出现是由于被检测表面的形状或倾斜与参考表面不一致。那么当我们把参考表面做成一个接近完美的表面时,干涉图样所反映的就是被测表面的情况。干涉显微仪白光也可作为光源用在干涉仪中,但是它的相干长度非常短。因此要出现干涉图样就需要参考光路与测试光路的光程要基本近似相等。白光干涉系统中运用了合适的显微物镜就可形成白光干涉显微仪。

12、它可以对物体的表面粗糙度和微小物体表面进行精细的分析。白光扫描干涉(scanning white light interferometric SWLI) 显微仪(如Zygo公司的NewView系列中的3-D光学表面轮廓仪)通过光路图的方法得到了两个光路等光程。物体放在物镜的焦面即可被测。SWLI显微仪可以对物体进行精细地垂直方向的扫描。因为物体只有在物镜的焦面上才能产生干涉图样,所以他没有激光干涉中出现的周期性图样的问题.因此该系统可以对物体表面进行三维扫描。激光干涉仪干涉仪的设计方式有许多种.但基本原理都是通过各种光学元件形成参考和检测光路的方法.Zygo GPI型就是采用了一种常见的干涉方

13、式制成的。一般称为Fizeau干涉仪。这种干涉仪一般用来测量元件表面或光学系统的波相差。它结构简单没有采用分光器件分光的方式。由于所用激光的带宽很窄,因此它的相干长度很长可以在光程差很大的情况下得到干涉图样。对待测物体放置的要求不是很严格。通常干涉仪采用He-Ne激光作为光源。但其他激光光源也都可以应用在此系统中。当然在选择好光源时其他光学元件和相关探测器的特性要与其匹配。激光干涉仪有它的局限性。他只能测那些表面平滑是连续变化的物体。这是因为如果相邻的高度变化超过了/4时,我们无法通过干涉图样来确定它的具体相位差的数值了。数据获取与分析干涉仪数据分析系统是随着计算机的发展而日益完善的。他已经摆

14、脱了那种根据干涉图人工测量的简单方式。现在是通过多次采样对数据进行数字化处理来得到精确数据的方式。特别是近几年,SWLI技术的深入发展,使得干涉仪测量的精度提高到0.1nm。同时,干涉仪在可靠性和稳定性方面也有长足的进展。例如:过去干涉仪中光学元件表面缺陷和所附着的一些灰尘造成干涉图样中的干扰图像,使得仪器分析精度和稳定性打了折扣。ZYGO的VeriFire AT运用特有的环形光源解决了此问题.可以使仪器获得低噪音的分析数据。干涉仪对环境的要求和解决方案干涉仪可以对物体进行精细分析。但如果在获取数据期间受外界因素的干扰。那势必会对分析的结果产生不利的影响。特别是振动和温度的扰动。如果要解决这个

15、问题就需要获取数据的时间尽量短并且通过一些特殊的设计来补偿不确定的干扰。同步相位测量干涉仪(IPMI)就是这样的一种设备。但是有利就有弊,由于IPMI需要进行必要的数据和硬件上的处理,因此它的精度就没有传统的PSI高。一般只能达到/20左右。3.2白光干涉仪的应用范围位移测量干涉仪可以对物体的位移进行移动。位移测量干涉仪(DMI)精度和测量范围都很高。它可以从纳米一直到米。DMI分为零差式和外差式两种测量方法。零差式是一个低成本和地精度的测量。而外差式有多维测量,高精度等诸多优点。 外差式采用的是双频激光器.由偏振分光棱镜将其分成参考光路和测量光路。物体的移动使测量光产生多普勒频移。由接受设备采集到参考和测量的合成信号。通过分析此信号可以得出位移的数据。零差式只是采用普通的单频激光光源。通过计算干涉条纹的计算来算出位移量。通常,一般的干