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准分子激光微加工光学系统研究

准分子激光微加工光学系统研究

作者：杜国军北京工业大学

学位级别：硕士

准分子激光是一种适用于微加工的紫外波段强光源,短脉冲宽度使得它对聚合物、玻璃和陶瓷等材料的加工可实现无热去除。但是由于光束质量差,属于多模光束,且光斑内部能量分布不均匀,极大的影响了准分子激光的适用范围。尤其表现在掩模投... 详细信息

准分子激光是一种适用于微加工的紫外波段强光源,短脉冲宽度使得它对聚合物、玻璃和陶瓷等材料的加工可实现无热去除。但是由于光束质量差,属于多模光束,且光斑内部能量分布不均匀,极大的影响了准分子激光的适用范围。尤其表现在掩模投影加工方式上,这种加工方法一次曝光就可以加工出整个图案,加工效率高,且分辨率极限可达0.5um。但是由于激光能量的分布不均,会使整个图案加工深度不一致,影响加工质量。本文主要从准分子激光的均束、投影成像和同轴监控定位三方面进行了研究,研制成功了一套准分子激光掩模投影微加工系统。本文探讨了248nm的准分子激光的光束特点。根据理论和实验结果,利用积分原理,对准分子激光扩束和分束整形,设计了一套准分子激光均束系统。在国内首次达到了能量均匀度误差±5%之内,满足了准分子激光掩模投影加工和激光辐照的光束质量要求。本文针对微加工系统要求高分辨率的投影物镜的特点,采用折射型系统,利用最小二乘法,校正球差、彗差和畸变,设计一个缩小倍率15:1的投影成像物镜,满足了掩模投影成像加工系统的要求。本文针对微加工器件尺寸小,加工过程中难以定位的特点,采用同轴方式,通过镜头组的配合,将加工面的图像成像在CMOS传感器接收面上,设计了一套同轴监控定位系统,系统通过十字叉线,实现了对微小器件的适时精确定位。

关键词：准分子激光微加工均束物镜监控定位

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电容式微加工超声传感器的建模与仿真

电容式微加工超声传感器的建模与仿真

作者：王菲天津大学

学位级别：硕士

在超声领域,压电超声传感器是应用较为广泛的一种声电转换元件。但由于传统的压电传感器存在着空气与普通的压电材料之间严重不耦合现象,所以压电传感器并不是高效率的超声源。当然,这个效率能随着耦合层的增加而提高,但这是以牺牲带宽... 详细信息

在超声领域,压电超声传感器是应用较为广泛的一种声电转换元件。但由于传统的压电传感器存在着空气与普通的压电材料之间严重不耦合现象,所以压电传感器并不是高效率的超声源。当然,这个效率能随着耦合层的增加而提高,但这是以牺牲带宽作为代价的。现在,随着MEMS技术的发展,一种全新的超声传感器已经出现,它就是电容式微加工超声传感器(cMUT)。由于其采用了表面微加工等微加工工艺,很好地克服了压电传感器的许多缺点,且还具有易于制造、尺寸小、自身噪声低、工作温度范围宽以及易于实现电子集成等众多优点,大有取代压电传感器之势。正是基于以上的这种情况,才提出了本课题的研究。本文根据国内外相关的研究经验,设计了几种cMUT结构,同时对它们分别进行了模拟仿真,最后给出了其制作工艺流程。本文主要完成的工作1.查阅相关资料,了解国外对cMUT研究的最新动态。主要注意有关cMUT的设计原理、制作的内部结构、加工工艺流程及工艺参数对性能的影响,并了解对cMUT的模拟仿真方法。2.设计出几种可用于测试的cMUT结构,然后利用有限元分析软件ANSYS分别对这几种结构进行模态分析仿真,根据cMUT的设计原理从中选出符合要求的结构。3.用ANSYS软件里的耦合场分析模块,选择TRANS126单元并用ANSYS参数化设计语言(APDL)进行编程,对结构进行力电耦合仿真,然后根据仿真的结果对结构再进行设计优化。4.采用表面牺牲层技术、湿法腐蚀技术及溅射技术等微加工工艺,设计出适合于结构的加工工艺流程。

关键词： MEMS cMUT 有限元分析 ANSYS 微加工

基于SECM的β-PbO2微区电化学行为及其微加工与同位表征

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基于SECM的β-PbO2微区电化学行为及其微加工与同位表征

作者：郑昭毅昆明理工大学

学位级别：硕士

目前针对各种改性PbO电极的电化学性能研究多停留在宏观层面,所得到的电化学性能参数是整个电极测试区域的平均值,难以区分电极表面不同微区电化学性能的差异。因此,寻找一种具有空间分辨率的方法从微观尺度对PbO材料微区的异质性、电... 详细信息

目前针对各种改性PbO电极的电化学性能研究多停留在宏观层面,所得到的电化学性能参数是整个电极测试区域的平均值,难以区分电极表面不同微区电化学性能的差异。因此,寻找一种具有空间分辨率的方法从微观尺度对PbO材料微区的异质性、电化学活性、界面反应动力学以及活性层构效关系进行深入研究很有必要。本论文采用扫描电化学显微镜(SECM)研究PbO电极微区的电化学反应活性和界面反应动力学,并建立微区结构与性能的联系。研究结果表明:1.整个β-PbO电极微区能够很好地支持[Fe(CN)]的氧化反应,具有良好的导电性和电化学反应活性,但β-PbO电极表面局部的电化学反应活性存在明显差异。拟合β-PbO电极微区的正反馈逼近曲线得到β-PbO电极的有效异质速率常数k为0.0253 cm·s;当基底电位为0.5 V(vs Ag/Ag Cl)时,β-PbO电极微区的电化学活性最高,恒高面扫描具有最佳的分辨率。结合EIS宏观测试数据,证明[Fe(CN)]的电荷转移过程在基底电位为0.5 V时最高效。β-PbO电极宏观与微观两个层面的电化学活性既有统一性也存在差异性。2.短时间电沉积的高电化学反应活性来源于区域性的高电化学活性,而单点式的高电化学反应活性保证了长时间电沉积的高活性。电镀电流密度窗口内,影响电极表面微区电化学反应活性的主要因素都是表面PbO晶体的微观结构。施镀时间为60min时,电极反应界面对于电位变化的响应灵敏程度变弱,该条件下电极材料的稳定性较好。当电镀电流密度为20 m A·cm时,PbO电极微区的高电化学反应活性是粗糙度,镀层厚度,以及物相组成共同作用的结果。表观异相电荷转移速率常数的研究说明改变电镀时间提升PbO电极电化学反应活性主要源于对微观形貌和结构的改造。电镀电流密度和添加剂Na F对电化学反应活性的改善同时依赖于微观形貌和结构的改造以及对PbO电极本身化学性质的改变。3.四种利用SECM进行微加工的方法中,化学棱镜法因其标记明显,沉积区域可控的优点是实现PbO表面微加工的最优方法。化学棱镜法在PbO电极表面进行微区沉积的最优条件是:银离子的浓度为0.01 M,探针电位为1.4 V,基底电位为0.4 V,步进距离为1μm的逼近曲线。该条件最终实现了直径为20μm圆形区域的微区沉积。PbO微区结构和电化学反应活性的同位表征研究发现,没有呈现完整金红石结构的区域具有比结晶完整区域更高的电化学反应活性。

关键词： β-PbO2电极扫描电化学显微镜微区电化学反应活性微加工同位表征

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带有力反馈系统的微加工头的研制

带有力反馈系统的微加工头的研制

作者：周启琛哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着微纳米科学技术的迅猛发展,微纳米材料和人们的生活与工作愈加息息相关。原子力显微镜（AFM）的引入极大了丰富了微纳加工的内容,其主要特点就是其加工头的有限刚度,并通过对加工力的控制实现了与材料的紧耦合,成为了纳米机械刻划... 详细信息

随着微纳米科学技术的迅猛发展,微纳米材料和人们的生活与工作愈加息息相关。原子力显微镜（AFM）的引入极大了丰富了微纳加工的内容,其主要特点就是其加工头的有限刚度,并通过对加工力的控制实现了与材料的紧耦合,成为了纳米机械刻划加工的一种重要手段。但是由于原子力显微镜设计的根本目的是为了检测,施加在工件表面的力非常小,限制了其加工的范围。针对上述存在的问题,基于AFM力闭环原理本文研制了一套带有力反馈系统的微加工头,并利用该装置对不同材料进行了机械刻划实验的研究。具体内容如下: 首先,设计了一套带有力反馈系统的微加工头的机械部分,包括进给系统、力测量装置和微探针的研制,并对整个机械系统的应变、模态和温度变化的影响进行了分析。其次,对带有力反馈系统的微加工头的控制系统的硬软件进行了研制。控制系统的硬件部分是基于UMAC控制单元的控制系统,软件部分是通过UMAC提供的编程功能完成自动逼近过程和加工过程中的力伺服的控制功能,并设计了人性化的控制程序界面。最后,通过实验获得了不同材料的加载卸载曲线、力自由下降曲线和闭环跟踪特性曲线,利用该装置分别对不同材料进行了力闭环的机械刻划实验,将其所得到的结果与开环实验条件下得到的结果进行了对比分析,分析了不同因素对力闭环加工质量的影响。

关键词：力反馈微加工 UMAC 微探针

基于MPC08控制卡准分子激光曲面微加工过程补偿装置

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基于MPC08控制卡准分子激光曲面微加工过程补偿装置

作者：谢武斌北京工业大学

学位级别：硕士

随着微制造技术的更新发展,MEMS系统已逐渐走入人们生活之中,在军事、航天、国防、工业、医疗、农业等领域被广泛应用。特别是在生物医学领域,微细加工技术被用于制造适用于处理生物细胞和生物大分子的各种装置。例如:微型泵,微型阀,微... 详细信息

随着微制造技术的更新发展,MEMS系统已逐渐走入人们生活之中,在军事、航天、国防、工业、医疗、农业等领域被广泛应用。特别是在生物医学领域,微细加工技术被用于制造适用于处理生物细胞和生物大分子的各种装置。例如:微型泵,微型阀,微摄子,微沟槽,微器皿和微流量计等。用于微加工的数控机床,由于机床体积大,夹具繁重,难以获得较小的加工精度。相比之下,激光加工特别适用于微型加工,因为光束聚焦获得细小光斑的光学特性。激光微加工分为激光掩膜投影和激光直写刻蚀两种形式,直写刻蚀因其性能稳定、造价便宜等特点备受关注。宏观加工的定位精度大多在毫米范围内,微加工尺寸集中在几十纳米至几百微米的范围内。准分子激光的高分辨使得其加工精度通常为几十微米,同时具备高功率、低吸收、低热量的加工特点。现有加工平台多应用于平面工件,对曲面工件比较缺乏。曲面工件加工过程中,工件表面存在加工线宽不均匀、不一致等现象。因此,曲面工件微加工过程中对加工位置的跟踪和补偿显得尤其重要。本文的主要工作,实现准分子激光曲面微加工过程中对加工位置的实时监测补偿,使加工平台同工件表面保持相同起伏。同时,该装置将被设计成能够适用于金属和非金属材料的加工。装置由由六轴电动平移台、MPC08控制卡、激光感测头、激光感测控制器以及PC控制终端组成。通过实验证实装置的补偿误差在20μm以内,装置的性能符合设计预期。主要内容包括:首先,阐述装置的硬件平台规划及软件设计框架,并介绍装置各组件间数据的传输方式。其次,研究了激光位移传感器的内部结构及其工作原理,讨论了激光位移传感器与其他传感器功能的区别。激光位移传感器与六维电动平移相结合,构成了一个加工平台。然后,采用MFC框架开发基于MPC08控制卡的准分子曲面加工win32工控程序。最后,通过实验分析系统的性能以及误差因素,提出优化措施。

关键词：准分子激光微加工曲面补偿激光三角测量 MFC

电容式微加工超声传感器（CMUT）仿真与制造流程

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电容式微加工超声传感器（CMUT）仿真与制造流程

作者：官志坚天津大学

学位级别：硕士

在超声领域,压电超声传感器是应用较为广泛的一种声电转换元件。但由于传统的压电传感器存在着空气与普通的压电材料之间声阻抗失配(空气的声阻抗约为0.0004MRayl、而压电材料的声阻抗为10～20MRayl)因此压电超声传感器在空气中的发送... 详细信息

在超声领域,压电超声传感器是应用较为广泛的一种声电转换元件。但由于传统的压电传感器存在着空气与普通的压电材料之间声阻抗失配(空气的声阻抗约为0.0004MRayl、而压电材料的声阻抗为10～20MRayl)因此压电超声传感器在空气中的发送与接受效率相当低。随着MEMS技术的发展,一种全新的超声传感器已经出现,它就是电容式微加工超声传感器(CMUT)。由于其采用了表面微加工等微加工工艺,很好地克服了压电传感器的许多缺点,其本身体积小、成本低、可以与前端和后端处理电路整合到一块芯片上,因此能有效的降低电路的寄生电容,提高信噪比,大有取代压电传感器之势。本文首先提出CMUT的等效电路模型,然后对CMUT的薄膜振动情况以及加直流偏压以后的受力情况进行分析,推导出等效电路模型中各项参数的计算公式。接下来介绍与验证进行CMUT仿真的两种方法:一种是采用MATLAB与PSPICE结合的方法,利用MATLAB计算由推导公式得到等效电路的各项参数然后通过PSPICE建立电路模型进行电路仿真;另一种是采用有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)的方法分别建立CMUT的二维轴对称模型和三维声场模型然后仿真。然后设计所需制造的CMUT结构尺寸,并进行仿真。然后结合国内的实际加工能力设计实际的CMUT制造流程与加工所需的掩模板,并对制造版图进行整体布局。最后设计CMUT的封装使其能具有防尘、与外围电路连接方便的特点,并介绍了CMUT基于仪器的基本参数测试方法。

关键词： MEMS CMUT 等效电路有限元分析 ANSYS 微加工掩模

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短脉冲及超短脉冲激光硅表面微加工研究

短脉冲及超短脉冲激光硅表面微加工研究

作者：侯敏天津大学

学位级别：硕士

目前激光加工技术已经应用到了生产和生活的许多方面,短脉冲激光有着脉宽相对较窄,平均功率高,重复频率高,加工效率高,波长短,可以聚焦成较小的光斑实现微米量级的精密加工的特点,在半导体工业中有着很好的应用前景,超短脉冲激光以其物... 详细信息

目前激光加工技术已经应用到了生产和生活的许多方面,短脉冲激光有着脉宽相对较窄,平均功率高,重复频率高,加工效率高,波长短,可以聚焦成较小的光斑实现微米量级的精密加工的特点,在半导体工业中有着很好的应用前景,超短脉冲激光以其物质移除的质量高、亚微米量级的加工精度、高的深宽比等优势引起国内外研究者的极大兴趣,二者有着各自的加工特点和优势。本文利用波长355nm,脉冲宽度小于40ns,重复频率为20KHz的纳秒激光和波长为775nm,脉冲宽度150fs,重复频率为1KHz的飞秒激光在Si表面进行了一系列微结构加工的实验,分析了纳秒脉冲激光和飞秒脉冲激光与物质特别是半导体作用的机制,为纳秒脉冲激光与飞秒脉冲激光在Si表面的微加工提供了理论基础;利用光学显微镜,扫描电镜以及聚焦离子束对加工出的微结构进行了测试,并分析了激光能量、脉冲个数、平台移动速度以及低能量重复加工等工艺参数对两种脉冲激光微结构加工效果的影响;实验中对二者的加工效果进行了比对,说明了两种脉冲激光各自的加工特点。

关键词：纳秒脉冲激光飞秒脉冲激光硅片微加工

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工业微加工新选择:超短脉冲激光设备

中国光学 2016年第1期9卷 177-178页

超短脉冲激光设备已经慢慢从研究实验室转移到了工业微加工。皮秒和飞秒级别的脉冲宽度使得材料能够不经过液化直接气化。通过冷消融可以实现对玻璃、金属、陶瓷和聚合物的逐层去除。钟表业正在使用这种技术进行精细雕刻，扫描振镜对复... 详细信息

超短脉冲激光设备已经慢慢从研究实验室转移到了工业微加工。皮秒和飞秒级别的脉冲宽度使得材料能够不经过液化直接气化。通过冷消融可以实现对玻璃、金属、陶瓷和聚合物的逐层去除。钟表业正在使用这种技术进行精细雕刻，扫描振镜对复合材料的切割和钻孔不会造成任何的热影响区（HAZ），因而产生的表面和边缘质量较高。

关键词：激光设备超短脉冲微加工工业复合材料脉冲宽度热影响区扫描振镜

维普期刊数据库

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157nm激光微加工工艺及自动化编程

157nm激光微加工工艺及自动化编程

作者：崔健磊武汉理工大学

学位级别：硕士

157nm深紫外激光是准分子激光中波长较短的激光,其光子能量大,可直接击断超硬陶瓷及半导体材料的化学结合键,产生的热作用极小。由于其波长极短,可获得更小的加工分辨率,非常适合制作精细二维图形和三维微结构,有望成为微器件加工的有... 详细信息

157nm深紫外激光是准分子激光中波长较短的激光,其光子能量大,可直接击断超硬陶瓷及半导体材料的化学结合键,产生的热作用极小。由于其波长极短,可获得更小的加工分辨率,非常适合制作精细二维图形和三维微结构,有望成为微器件加工的有力工具。157nm深紫外激光在空气中极易被吸收,相关的设备和光路集成相当复杂,其基本理论、加工机理及加工工艺研究都非常薄弱,有关157nm激光三维微加工技术的研究在世界范围内还几乎是空白状态。因此,探索157nm激光复杂图形微加工工艺意义重大。现有微加工平台M2000配备的通用CAM软件对157nm深紫外激光加工的自动化编程考虑极少,根本无法解决157nm激光复杂图形微加工的数控编程问题。针对这一迫切需要,本研究编制针对157nm深紫外激光加工机的自动化编程软件,以支持157nm激光复杂图形微加工工艺。利用自动化编程软件进行微刻蚀试验,分析其加工表面形貌,优化工艺参数,提高刻蚀质量。该研究将拓宽157nm激光微加工技术的应用空间,其学术价值和应用价值都非常巨大。本文对157nm激光掩模版投影微加工和扫描直写微加工方式进行了研究,并进行自动化编程软件的研制,全文主要内容包括：（1）介绍了准分子激光的微加工特性及其在微加工领域的应用,揭示157nm激光与非金属材料间的相互作用机理,分析了不同工艺参数对157nm激光刻蚀的影响作用。（2）针对157nm激光工艺参数组合对刻蚀性能的影响复杂的特点,建立基于157nm激光微加工的人工神经网络模型,并采用遗传算法对其进行优化,得出最佳的激光参数组合。（3）在对M2000微加工平台对应的数控代码进行分析的基础上,选择Visual Basic开发环境,完成了自动编程系统157nm-AutoProm System软件的编制。还对系统软件的重要模块进行理论分析,并采用与实验相结合的方法,不断完善软件,以改善自动编程系统的性能。

关键词： 157nm激光微加工刻蚀质量神经网络数控编程