超声辅助纳米加工系统及其关键技术研究

Aiming at the major requirements of the nano-machining and fabrication in our country to solve the basic and common key techniques for the product development of the high performance equipments for micro/nano structures fabrication, this project investigates the design optimization methodologies and key enabling techniques for the ultrasonic assisted tip-based nano-fabrication system. The material removal mechanism of ultrasonic assisted nano-fabrication process will be systematically explored using molecular dynamics and finite element method. Based on the characteristics of the ultrasonic assisted nano-fabrication, the mechanical design optimization and related key enabling techniques will also be investigated. Accordingly, the machining principle and prototype technique for high performance ultrasonic assisted nano-fabrication system will be obtained. The static and dynamic models will be established to further investigate the characteristics of developed nano-fabrication system. The generation, sensing, measurement and control methodologies for the ultrasonic vibration in nano scale will be studied to provide the advanced knowledge for the nano-fabrication process. A high accurate and reliable DSP-based control system will be designed and constructed to implement the real time control and signal processing for the developed nano-fabrication system. The ultrasonic assisted nano-fabrication technology for 2D/3D nano structure/devices will be explored to improve the machining accuracy and surface quality. The proposed research not only establishes the key enabling techniques and building blocks underpinning the fields of nanotechnology and further improve the nano-fabrication level of China, but also provides great potential applications in scientific and engineering areas.

本项目密切结合我国纳米加工与制造技术重大需求，针对微/纳结构加工装备产品开发中的共性关键技术问题，研究超声辅助探针纳米加工系统的优化设计方法与保障技术。侧重研究超声辅助纳米加工材料去除机理，建立超声辅助探针刻划纳米加工系统机械结构动态优化设计方法，开发高性能的超声辅助纳米加工原理与样机技术，构建超声辅助纳米加工系统的静动态特性模型，研究纳米级超声振动生成、传感、测量和控制理论，建立基于DSP技术的高精度与可靠性数控系统搭建方法，探讨保障二维/三维纳米结构和器件的超声辅助探针刻划纳米加工精度和质量的工艺方法。该项研究不仅对提高我国纳米制造技术水平具有重要的理论价值和工程实践意义，而且还具有广阔的应用前景。

本项目密切结合我国纳米加工与制造技术重大需求，针对微/纳结构加工装备产品开发中的共性关键技术问题，研究了超声辅助探针纳米加工系统的优化设计方法与保障技术。开发了一种具有三维精密控制能力的超声辅助纳米加工系统，设计了一种空间立体大行程纳米定位平台以及一种非共振式的三维超声纳米振动台，并针对现有力闭环刻划深度控制方法的高复杂性和高不确定性，提出了一种具有高精度深度控制能力的位移闭环深度控制方法，为制约三维微纳结构加工的问题提出了有效的解决途径。在实验研究方面，针对超声辅助纳米加工系统，分析了振动参数（包括振动模式、振动频率、振幅）对振动辅助纳米刻划结果的影响。项目重点研究超声辅助纳米的系统搭建、材料去除机理、加工工艺参数等方面，建立了超声辅助探针刻划纳米加工系统的机械结构动态优化设计方法，开发了高性能的超声辅助纳米加工原理与样机技术，构建了超声辅助纳米加工系统的静动态特性模型，研究了纳米级超声振动生成、传感、测量和控制理论，建立了基于DSP技术的高精度与可靠性数控系统搭建方法，并探讨了保障二维/三维纳米结构和器件的超声辅助探针刻划纳米加工精度和质量的工艺方法。该项研究不仅对提高我国纳米制造技术水平具有重要的理论价值和工程实践意义，而且加工的具有纳米尺度的结构和器件在未来的机械、传感、通信、医疗和日常生活等方面都具有广阔的应用前景。