纳米科学和技术的新进展

作者：哈尔滨工业大学 袁哲俊

欢迎访问e展厅 展厅 11 纳米材料/工业陶瓷展厅 空心微珠, 金刚石微粉, 纳米金, 纳米铂金, 纳米铜, ... 1.引言 自1981年扫描隧道显微镜（STM）发明以来，纳米科学与技术获得了极大的进展。纳米科学与技术是指研究纳米级（0.1～100nm）尺度材料的物理、化学行为的科学及其设计、制造、测量、控制和产品的技术。原子层间的距离为0.1～0.3nm，故纳米科技已是深入到原子级微观世界的新科技，这是一个新的科技发展领域，有可能使多个科技领域如化学、材料、航空航天、计算机、电子、机械、生物等学科产生重大突破，因此世界各国都给予极大的重视。例如美国在伊拉克战后将纳米技术列入国家重点发展的12项关键技术之一，最近又把它列为重中之重的“信息技术、生命科学和纳米科技"三项优先发展的最重点科技之一。以下介绍纳米科学与技术几个主要方面的最新进展情况。 2.纳米级测量技术 2.1 纳米级精度的尺寸和位移的测量 可以用多种物理量作精密尺寸的测量，其中光干涉法是用得最多的方法。光干涉法的测量分辨率及精度和光的波长有关，激光的波长较可见光小得多，故测量分辨率较高，精密激光测量系统长度测量分辨率达0.6nm、测量精度达2nm。使用波长更短的X光有可能进一步提高测量分辨率和测量精度。 美国国家标准和工艺研究所(NIST)研制的M3型分子坐标测量机(molecular measuring machine)是到目前为止全世界精度最高的微型三坐标测量系统，被测件被放在50mm×50mm×100μm的检测室内进行测量。该系统使用了多项测量新技术，在进行坐标测量时，可以达到纳米级测量精度。该坐标测量机是为下一代纳米器件装置、特别是纳米电子器件(如超大规模集成电路等)工业生产而研制的。 2.2 纳米级表面形貌的测量 表面微观形貌测量可以用多种不同的方法，其中激光表面形貌测量可以得到表面微观形貌的三维彩色立体图形。但真正使微观表面形貌测量技术产生飞跃、达到原子级的测量分辨率是扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等扫描探针显微镜。 2.3 纳米级表层的物理力学性能的检测 新发展的表层显微力学探针检测法可以测出极薄表层的硬度、弹性模量、蠕变等项力学性能。这种方法对表面改性材料、表面涂层和复合材料的物理力学性能检测及其界面的性能检测极为方便有效。 3．扫描探针显微镜 3.1 扫描隧道显微镜(STM) STM是1981年由比尼基（Binnig）和罗勒（Roherer）发明的，由于它的意义重大，曾荣获1986年诺贝尔奖。它的原理是用极尖的探针对被测表面进行扫描，探针和被测表面非常接近，在一定的电场作用下产生隧道电流。探针和表面间距离的极微小变化将使隧道电流产生很大变化。扫描时探针升降以保持隧道电流不变，因而可测出表面形貌高低。借助纳米级的三维位移控制系统和计算机图形处理技术，可得出该表面的彩色三维微观立体形貌图像。 1982年Binnig发表的Si(111)-7×7表面的原子分布图像是人类首次看到的原子分布图。 3.2 原子力显微镜(AFM) AFM的工作原理与STM类似，都是用探针对被测表面进行扫描从而进行测量的，但AFM是靠控制探针针尖与被测表面间的原子相互作用力而检测微观表面形貌的，因此它可以用于检测非导体的表面形貌。原子力显微镜采用轻敲式扫描模式可检测软质材料，并可在液体中测量形貌。STM和AFM的测量分辨率极高（垂直方向达0.01nm，横向0.1nm），可以显示出被测表面的分子和原子分布的彩色微观形貌，使我们对物质微观世界的认识和研究上升到一个新的高度。 AFM的测量分辨率极高(和STM基本相同)。AFM是利用原子相互作用力而检测的，因此可用于检测非导电材料，并不受试件表面电子态影响，测量结果更接近表面实际形貌。此外AFM还可在液体中测量软质材料，这对测量生物细胞特别有用。AFM具有测力系统，很容易改装后用于测量材料表层的微观力学性能，或改装成摩擦力显微镜，因此有较大的应用领域。 STM是利用量子力学的隧道电流来检测的，因此只能用於检测导电材料。隧道电流的大小不仅与隧道间隙有关，而且与试件表面的电子态局域密度有关，因此试件表面的电子云状态也直接影响测量结果。从STM测得的图像中，不仅可看到Fe原子，而且可看到波浪状的电子云。 3.3 扫描力显微镜(SFM) 在AFM之后，又发明了多种利用扫描力测量的显微镜，如摩擦力显微镜（FFM）、磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜（EFM）、化学力显微镜（CFM）等，它们各有其重要应用领域，使SPM的品种和应用领域大大扩大。 3.4 多功能扫描探针显微镜 分析不同的SPM的结构原理后可以看到，这些显微镜的很大部分结构部件是相同的，因此就出现了多功能SPM。一台多功能SPM只要更换测量头部件，即可用作STM、AFM、FFM、MFM或其他功能的SPM，大大节省了设备投资，方便了纳米科技的研究工作。 3.5 ULTRAObjective扫描探针显微镜 德国SIS公司将SPM技术与光学显微镜结合，开发出一种新型ULTRAObjective扫描探针显微镜，这是一种经济型多功能SPM(尤其适合光学显微镜的升级提高)，有接近正规SPM的测量分辨率，通过更换测头可实现多种SPM的测量功能。 4．用SPM进行纳米精加工和原子操纵 扫描探针作为微显微镜(SPM)发明的初始产品，仅用于表面微观形貌的检测。现在SPM的用途已大大扩展，STM和AFM已用于纳米级微结构的精密加工和原子操纵，使超精密加工达到了精度的极限。由于纳米级微结构的加工直接影响微型机械、纳米电子学和微机电系统的发展，因此日益受到重视。 4.1 用SPM进行纳米级精密加工 (1)用SPM的探针直接进行雕刻加工 原子力显微镜使用高硬度的金刚石或Si3N4探针尖，可以对试件表面直接进行刻划加工。可改变针尖作用力大小来控制刻划深度，按要求形状进行扫描，即可获得要求的图形结构。用SPM探针可以刻划出极小的三维立体图形结构，哈工大纳米技术中心用AFM加工出了“HIT”图像，可看到用这种方法可以雕刻出较窄而深的沟槽和其他立体结构。 (2)用SPM进行电子束光刻加工 现在生产中加工超大规模集成电路时用的电子束光刻加工，最小线宽为0.13μm。受到电子束聚焦的限制，加工最小线宽要小于0.1μm就有较大难度。 当AFM使用导电探针时，控制探针和试件间的偏压，由于针尖端极尖锐，可以将针尖处的电子束聚焦到极细。再采用常规的光刻工艺，即可获得极精微的光刻图形。Stanford大学C Quate等人用SPM对Si表面进行光刻加工获得的纳米细线宽度为32nm，刻蚀深度为320nm，高宽比达到10：1。美国IBM公司的McCord等用AFM在Si表面进行光刻加工，获得了线条宽度为10nm的图案。 (3)用局部阳极氧化法加工纳米结构 使用SPM的探针尖对试件表面进行局部阳极氧化法进行加工时，在反应过程中针尖与试件表面间存在隧道电流和电化学反应，针尖是阳级反应的阴极，试件表面为阳级（即试件的偏压为正），吸附在试件表面的水分子起到了电化学反应中的电解液作用，提供氧化反应中所需的HO离子。 这种阳极氧化方法可使试件表面数个原子层出现氧化。阳极氧化区的大小受到针尖的尖锐度、偏压大小、环境湿度以及扫描速度（反应时间）等因素影响。控制上述因素，可以加工出很细并且均匀的氧化结构。 Stanford大学H Dai等人采用STM在氢钝化的Si表面用阳极氧化法加工出了SiO2细线微结构。实验中用的AFM探针尖为多壁碳纳米管，针尖的负偏压为-7～-15V。SiO2细线宽度仅10nm，细线间的距离为100nm。用该方法加工成的SiO2细线组成了“nanotube”和“nanopencil”等非常细微的字样。 中科院真空物理实验室也用STM在P型Si(111)表面用阳极氧化法制成了SiO2图形的中科院院徽图形的微结构。 (4)纳米点的沉积加工 在一定的脉冲电压作用下，SPM针尖材料的原子可以迁移沉积到试件表面，形成纳米点（量子点）。改变脉冲电压和脉冲次数，可以控制形成的纳米点的尺寸大小。 黄德欢等人用STM的Pt针尖在试件Si(111)―7×7表面上加工出了Pt纳米点。实验时Pt针尖与试件表面距离约0.4nm，在针尖上施加一个-3.0V、10ms的电压脉冲，由于电流急剧增大，温度大幅度升高，针尖的Pt原子向试件迅速扩散，形成一个纳米尺度的联接桥，由于STM工作在恒电流反馈状态，针尖回缩使形成的纳米桥断裂。残留在试件表面的Pt材料构成Pt纳米点，通过一个脉冲加工得到的A和B纳米点直径约为1.5nm；由两个脉冲加工而成的C和D纳米点直径约为2nm。 H Mamin等人用Au针尖的STM，在针尖上施加-3.5～-4V的电压脉冲，在黄金表面沉积加工出直径10～20nm、高1～2nm的Au纳米点。用这些Au纳米点描绘出直径约1μm的西半球地图，这是用黄金制成的最小的世界地图。 (5)用多针尖的SPM进行加工 用SPM进行纳米级加工，不仅效率低，而且最大加工尺寸受到最大扫描距离的限制。最近国外采用多针尖的SPM不仅可以进行形貌检测，也可以用于纳米级加工。由于各针尖的微悬臂上都带有Si压敏电阻偏转传感器和压电扫描器，故各针尖可以互不干扰地独立工作，相当于几台SPM同时工作，故不仅成倍提高了工作效率，同时使最大加工尺寸也成倍加大。Stanford大学的Quate等人研制了带五个针尖的5×1平行阵列微悬臂结构，各微悬臂都带有Si压敏电阻偏转感器和ZnO压电扫描器，故5个针尖可独立同时工作，针尖间距离为100μm，5个针尖同时工作，最大加工尺寸可提高五倍，达到500μm。 多针尖SPM的各针尖均可独立进行工作。各针尖可独立进行不同方法的纳米级加工。SPM的各针尖可以同时独立地加工几个相同的微结构，或同时加工几个不同的微结构，也可同时加工同一微结构的不同部分，因此可以加工尺寸较大的微结构。 (6)三维立体纳米微结构的自组装生成 使用STM和AFM，通过控制工作环境条件（主要是针尖一试件间距离、外加偏压和环境温度），可以自组装生成三维立体纳米微结构。下面是两个具体实例。 日本电子公司M Iwatsuki等人在600℃高温条件下，通过增大STM针尖与试件Si(111)表面之间的负偏压，使试件表面的Si原子自动聚集到STM的针尖下，自组装而形成一个纳米尺度的六边形金字塔。此金字塔的直径约为80nm，高度约为8nm。这是使用STM实现原子三维空间的立体搬迁，自组装形成的立体结构。 美国惠普公司利用STM在特定的温度和加大负偏压的条件下，在Si基材表面上实现了由三维立体搬迁表面上的锗原子自组装而形成四边形金字塔形的锗原子量子点。该锗原子组成的金字塔底宽约10nm，高约1.5nm。 4.2 用SPM进行原子操纵 最近发展起来的扫描探针原子操纵加工技术是纳米加工技术中的最新发展，可实现原子、分子的搬迁、去除、增添和排列重组，能实现原子级的极限精加工。 (1)原子和分子的搬迁 1990年美国Eigler等人在低温和超真空环境下，用STM将镍表面吸咐的Xe（氙）原子逐一搬迁，最终以35个Xe原子排成“IBM”三个字母，每个字母高5nm，Xe原子间最短距离约为1nm。以后他们又实现了CO分子的搬迁排列，在铂单晶的表面上，将吸附的一氧化碳（CO）分子用STM搬迁排列起来，构成一个身高5nm的世界上最小的人的图样。构成该图样的CO分子间距离仅为0.5nm，人们称它为“一氧化碳小人”。 1993年美国IBM公司使用原子搬迁法，在单晶铜表面用48个Fe原子排列成直径为14.3nm的圆圈，相邻两个Fe原子间的距离仅为1nm。由这些Fe原子构成的量子围栏，可看到美丽的电子波浪。 (2)原子的去除 1991年日本日立公司S Hosoki等人用STM在MoS2表面去除硫原子形成空位，写成“PEACE 91 HCRL”的字样。每个字母尺寸仅为2nm。这种用硫空位写字的方法是将STM针尖对准某个硫原子，在针尖和试件间加脉冲电压，使硫原子电离，由于电场蒸发原理而逸离试件表面，留下空位。1993年日本研究开发公司的M Aono发表在室温条件下用STM加脉冲电压可以从Si(111)-7×7表面去除Si原子，机理为场蒸发。无论正负脉冲均能去除单个Si原子，表明Si原子可以成为正离子，也可以成为负离子而被电场蒸发。 中科院北京真空物理实验室使用STM，加大直流偏压，在Si(111)-7×7表面去除Si原子，获得原子级平直沟槽，沟宽2.33 nm。1994年中科院北京真空物理实验室庞世谨等人在Si(111)-7×7表面利用STM针尖加电脉冲移走Si原子，形成沟槽，写出“中国”字样。 5.纳米材料 纳米材料是指纳米微粉材料、纳米微粉制成的材料和纳米微结构材料，是材料科学21世纪的重大发展方向。 5.1 纳米微粉 纳米微粉一般为球形，由于制造方法不同也可有其他形态。当材料微粉直径小到纳米级时，其性能将有许多特异变化。 (1)材料的熔点 纳米微粉材料的熔点会随超细微粉直径的减小而降低，例如金的熔点为1064℃，但10nm的金粉熔点降低到940℃，5nm的金粉熔点降低到830℃，2nm直径时熔点将降低到327℃。 (2)电性能 当纳米金属微粉直径小到某临界值以下时，居然由导电体变成绝缘体。某些纳米微粉在一定直径时，可成半导体或成超导体。 (3)纳米微粉表面积 纳米微粉表面积大大加大，加快了它的化学反应速度。纳米级的催化剂催化效率高，如加入汽油中，可提高内燃机的效率，加入固体燃料可使燃烧加速均匀，使火箭的速度加快。 (4)光学性能 纳米微粉直径变化将改变其光反射性。当微粉直径小于光波长度时，材料不再反射光而成为黑色。某些纳米微粉反射红外线，可作红外隐形材料或粘附纺织品作保温材料。某些纳米微粉吸收一定波长的电磁波，可用于雷达隐形材料。某些纳米微粉反射紫外线，可用于防晒油等。 (5)磁性能 磁性材料制成纳米微粉，可大大增加磁信号贮存器的贮存密度。某些磁性材料微粉直径小到某临界值以下时，将变成顺磁材料。某些磁性材料微粉具有巨磁阻效应，可作信号读数头。药微粒如附加少量磁微粉，可直接引导至病灶区。 (6)水悬浮液 药物制成纳米微粉，在水中不会沉淀，可以用作注射液，顺利进入微血管。 5.2 纳米微粉制成的材料 不同工艺用纳米微粉制成的材料，性能可以有很大不同。纳米微粉用粉末冶金法烧结成的材料，硬度、强度、韧性都大大高于原来的材料。陶瓷一般都强度低并且很脆，但用纳米级微粉烧结成的陶瓷不但强度高而且有良好的韧性。用纳米微粉还可以烧结成多孔骨架，再制成不同用途的复合材料。 5.3 纳米微结构材料 煤碳、石墨、碳纤维和金刚石都是由碳原子组成，但由于原子排列不同而使性能有极大差异。如果控制材料原子的排列组合，将有可能造出很多具有特殊性能的新材料。最近新研制成功的碳纳米管直径可小于1nm(最小0.34nm)，是由碳薄膜卷成，可以是直卷的，也可以是斜卷的，可以是单层也可能是多层。由于其状态不同，可以是导体、半导体或绝缘体。在不同微力作用下，其自振频率也不同，有人设想可用于微力检测。碳纳米管的重量是钢的1/6，而强度是钢管的100倍，将会有很多用途。最近又已制成硅纳米管、用SiO2绝缘的微同轴电缆等。 原子团簇是另一类新发现的材料物种，是指几个至几百个原子的聚集体(微结构)，如Fen、Cn等。其中碳簇（C60，C70）是最令人感兴趣的。1983年霍夫曼使用电弧法合成了C60，但1989年才给予确定，其结构类似足球，由12个五边形和20个六边形构成的球体，分子直径为0.71nm。C60可参予多种化学变化而微结构不变。掺有某些碱金属的C60具有超导特性，其中个别的具有高温超导特性。C60将有很多用途。 还有多种纳米微结构是极令人感兴趣的，如量子磁盘，其磁存贮密度达4×10的11次方bit/平方英寸，超过了光盘的信号存贮密度。 6.纳米电子学 在纳米科技中，纳米电子学（nano electronics）处于特殊重要地位，因为它是微电子学发展的下一代。纳米电子学研究的对象不仅尺寸是纳米的，而且信号处理时间是纳秒的，信号功率是纳焦的，因此有人建议将纳米电子学称为纳电子学。 英特尔公司自1971年开始生产计算机芯片以来，已更新换代十多次。芯片的性能和集成度在这一次次的更新换代中得到大幅度提高。1971年英特尔公司的4004芯片，时钟速度仅为108kHz，内含晶体管2300个，最小线宽为10μm；1999年英特尔公司的Pentium III芯片的时钟速度已经高达1GHz，在面积为217mm2的芯片内，有晶体管2800万个，最小线宽为0.18μm。2001年3月英特尔公司推出的Pentium 4电脑的时钟速度已高达1.7GHz，最小线宽0.13μm，在面积为116mm2的芯片内，晶体管数超过4200万个。最近，电脑的时钟速度已高达2.4GHz，计划2010年时钟速度达到10GHz，30年来计算机芯片速度和集成度提高了13000倍，线宽从1971年的10μm缩小到现在的0.13μm。 现在集成电路的最小线宽为0.13μm。从理论分析，现代的光刻加工技术的物理极限为0.1μm。微电子器件尺寸的缩小，还受到器件内电子行为的可靠性、功耗大和发热的限制，线宽小于0.08nm时已不能正常工作。故今后纳米电子学和纳米电子器件将取代微电子学和微电子器件。 近年来，纳米电子学和纳米电子器件的研究发展进展甚快，取得很多成果。纳米电子器件的基础是单电子晶体管。1994年日本电子技术综合研究所K Matusmoto和M Ishii等人首先在实验室里研制成功单电子晶体管。 2001年8月美国IBM公司宣称，他们的研究人员在碳纳米管的基础上，制成一个逻辑电路，能发挥信息处理功能的一套电子元件。在取得这项成果前，该公司的研究人员利用碳纳米管分子作为半导体，已制造出第一批碳纳米管晶体管。 2000年北京大学薛增泉等人在电子显微镜实验中，观察到“倒T形”碳纳米管结构。这种碳纳米管结构是一根细的碳纳米管长在一根粗些的碳纳米管上面，形成倒T形的结构。这根细的碳纳米管直径为0.33nm，具有半导体导电特性，另一根粗些的碳纳米管直径为1nm，具有金属导电特性。根据碳纳米管特性原理，这样两个不同直径纳米管的联接处，将形成隧道结。这样一个倒T形碳纳米管结构构成一个单分子三极管。这种管结构的单分子三极管有希望成为分子电器件的最基本元件，组合发展成多种更复杂的各种功能的分子电器件，成为将来分子电器件集成电路的基础，具有十分重要的意义。 7．微型机械和微机电系统 7.1 微型机械 目前微型机械已达到较高水平，已能制造多种微型零件和微型机构，不少已成为正式商品。现已研制成功的三维微型机械构件有微膜、微梁、微针、微齿轮、微凸轮、微轴承、微连杆等。已研制成功多种微型传感器，如速度、加速度、压力、力、力矩、流量、温度、气体成分、温度传感器等，现在多种微型传感器已成为商品。微执行器是难度比较大的微形器件，已研制成功微阀、微泵和微电机等。 7.2 微型机电系统 微型机电系统是纳米技术走向实用化、产生经济效益的主要领域之一，主要应用于以下几方面。 (1)专用集成微型机电系统(ASIM) 这是微机电系统在微电子工业中的应用，如带有压力传感器的压力监控系统、带有测温传感器的温控系统等。专用集成微型机电系统经常是更复杂的大型微机电系统的子系统，故它又是微机电系统发展的基础。它的体积小、工作可靠、价格低，故有较大应用前景。 (2)微型机器人 微型机器人是一个非常复杂的微机电系统，现在很多单位在研制微型机器人。 国外已制成侦察用微型车。轮式微型车只能在较平坦的地面行走，而现在发展的履带式微型车可以在不平的地面行走。目前还发展了4足和6足昆虫型微型机器人，这些微型机器人能自己找路前进，能自动搜索目标、收集和窃听情报。 医用超微型机器人是最有发展前途的应用领域。超微型管道机器人可以进入人的血管，可控制其运动，使其从主动脉管壁上刮去堆积的脂肪，或疏通患脑血栓病人的阻塞的血管。外科医生可以遥控微型机器人作毫米级的眼网膜手术。日本制定了采用“机器人外科医生”的计划，正在开发能在人体血管中穿行、用于发现并杀死癌细胞的超微型机器人。 (3)微型惯性仪表(MIMU) 惯性仪表是指陀螺仪、加速度表和惯性测量平台。它是航空和航天的导航仪器，要求体积小、重量轻、精度高和工作可靠，是微机电系统应用的理想领域。 现在国外已有微型加速度计和微型硅陀螺仪的商品，体积和重量均甚小，但尚需提高精度。美国某公司生产的微硅加速度计体积极小。美国Boeing公司生产的微硅加速度计阵列，8个加速度计集成在一块芯片上。 微硅陀螺仪现在也已做得甚小，如BASE公司生产的微硅环形振动陀螺，体积极小。美国喷气推进国家实验室(JPL)最近研制成功新型振动陀螺，这种微硅振动陀螺的尺寸为4mm×4mm，重量小于1g，比衣服上的纽扣还小。 航空和航天用的导航仪是由3个相互垂直放置的加速度表、3个相互垂直放置的陀螺仪、再加一台微型计算机所组成，可以检测瞬时的空间速度和加速度、空间方向和运动轨迹。导航仪亦在微型化。例如，美国某公司1974年生产的某种导弹用导航仪重3.2kg，1980年降为1.8kg，1985年降为1.4kg，预计新产品将降到70g。将X、Y、Z方向的3个加速度计和3个陀螺仪集成到一块芯片上，这样使整个导航仪微缩得非常小。 (4)微飞行器 国外已制成多种微飞行器作为侦察传递信息之用，其中重量为kg量级者已经实际使用，如美国最近在伊拉克战争中已实际使用的两种侦察用微型飞机。微型飞机的重量在100g左右，飞机的机翼均加宽，以获得飞行时必要的升力。这类微型飞机尚在实验试制，但有希望近期投入实际使用。 更小的微飞行器因受飞行动力学限制，外形已和普通飞机不同。如美国NASA研制的微飞行器重量约50g，机翼制成圆盘状，有些像飞碟。当最小量级的微飞行器重量在10g以下时，只能仿真飞虫制成扑翼式微飞行器，如美国U C Berkeley研制的飞行蝇扑翼式微飞行器，高度不到3cm，重量仅0.1g。试飞时能在100m高的空中飞行20min。这类微飞行器存在问题较多，离实用尚有距离。 (5)小型、微型和纳米卫星 人造卫星是微机电系统的极好应用领域，卫星上都装有多套微机电系统。现在国际上正在研制的小型卫星重量为10～100kg，即将开发研制的微型卫星重量为1～10kg，而未来的目标是纳米卫星，其重量将小于1kg。微/纳卫星有很强的功能，且成本价格很低，用于环球定位系统极为有用。很多国家都已研制发射成功小型卫星。如Aprize卫星公司1995年研制的AprizeStar微型实验卫星，边长约30cm，使用法国Arian火箭发射，一次同时可发射三颗微型卫星。1991年第一次伊拉克战争中美国发射了重21kg的微型通讯卫星，当时一箭发射7颗微型通信卫星，成功组网，并建有战功。 中国亦开展了微小卫星的研制发射工作。清华大学和英国Surrey大学合作研制了清华-I号微型实验卫星，该微型实验卫星重20多kg，于2000年成功发射。哈尔滨工业大学研制成功小型卫星，重204kg，于2004年4月20日成功发射。 8.微型机械的制造技术 8.1 微器件的精密机械加工 现已有多种小型精密高速机床(主轴转速50000r/min以上)，使用微小刀具加工微型器件。在微小型加工中心上，可加工极小的精密三维曲面。日本Fanuc公司生产了加工微型零件的ROBOnano Ui五轴联动加工中心，在这台加工中心上用微型单晶金刚石立铣刀加工出了人像浮雕。 8.2 微器件的特种加工 电火花加工、线切割、超声加工和激光加工等特种加工技术都已用于加工微型元器件，其中电火花加工、线切割、超声加工可达到相当高的精度。超声波加工法可在脆性材料上加工成型孔，已用超声波加工法在石英玻璃上加工出直径5μm的微孔。准分子激光因光的波长短，热作用区集中，适宜于加工微型工件。 8.3 LIGA技术 LIGA技术是由深度同步幅射X射线光刻、电铸成型、塑铸成型等技术组合而成的综合性技术。用该技术可以制作各种微器件和微装置，材料可以是金属、陶瓷和玻璃等，可以制作最大高度为1000μm、槽宽0.5μm以上、高宽比大于200的立体微结构，刻出的图形侧壁陡峭，表面光滑。 过去使用LIGA技术只能制造上下形状一致的微器件，现在该技术又有发展，采用LIGA技术已可加工阶梯状零件和上端部为半球状的零件。 8.4 微型件的精微塑性成形加工 精微塑性成型加工技术已成功地制造多种微型器件。如用塑性成型法加工的微小螺钉，螺纹部分直径为20～50μm。Gunm大学研制的微型超塑挤压机可以用于加工制造微型齿轮轴等多种微型零件。 8.5 微型机械的装配 因微型零件太小，人工装配困难，因此为装配微型机械制造了微型夹持器、机械手和自动化装配装置，如应用压电传感驱动和热敏驱动的微夹持器。国外已开发了自动装配机，甚至研制了制造微型机械的微型工厂，内有车床、加工中心、冲床、装配机等。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/4/2005)