高端光学元件超精密加工技术与装备发展研究

高端光学元件是决定高端装备性能水平的核心零件,研究高端光学元件超精密加工技术与装备发展,对于实施制造强国战略、满足高端装备产业需求具有积极意义。本文剖析了光学元件超精密加工方法与装备、高性能基础部件、超精密光学加工中的测量方法与装备等的发展情况,凝练了精度与尺寸极端化、形状与性能一体化、加工工艺复合化、加工与检测一体化、装备与工艺智能化等发展趋势。通过广泛的行业调研和研讨,从需求、目标、产品、关键技术、应用示范、支撑保障等方面着手,形成了面向2035年我国高端光学元件超精密制造技术路线图。针对性提出了优化创新体系设置、组织优势资源成立技术联盟,加大资源保障力度、布局基础研究和技术攻关计划,加强人才培育、构建梯队并扩大队伍规模,筑牢产业发展基础、培育龙头企业和专精特新“小巨人”企业等发展建议,以期促进高端光学元件加工产业提升与高质量发展。

Fabrication of Nanoscale Step Height Structure Using Atomic Layer Deposition Combined with Wet Etching

The current techniques used for the fabrication of nanosteps are normally done by layer growth and then ion beam thinning. There are also extra films grown on the step surfaces in order to reduce the roughness. So the whole process is time consuming. In this paper, a nanoscale step height structure is fabricated by atomic layer deposition （ALD） and wet etching techniques. According to the traceable of the step height value, the fabrication process is controllable. Because ALD technology can grow a variety of materials, aluminum oxide （Al2O3） is used to fabricate the nanostep. There are three steps of Al2O3 in this structure including 8 nm, 18 nm and 44 inn. The thickness of Al2O3 film and the height of the step are measured by anellipsometer. The experimental results show that the thickness of Al2O3 film is consistent with the height of the step. The height of the step is measured by AFM. The measurement results show that the height is related to the number of cycles of ALD and the wet etching time. The bottom and the sidewall surface roughness are related to the wet etching time. The step height is calibrated by Physikaliseh-Technische Bundesanstalt （PTB） and the results were 7.5±1.5 nm, 15.5±2.0 nm and 41.8±2.1 nm, respectively. This research provides a method for the fabrication of step height at nanoscale and the nanostep fabricated is potential used for standard references.

基于多节点阵列结构的高精度薄膜温度传感器研究

针对液压系统中的智能感知需求,提出一种新型微机电系统(Micro-electro-mechanical system,MEMS)薄膜温度传感器,其具有微小体积的同时兼具较高的测温精度,可实现液压元件及系统中油液温度信号的精确感知。开发出基于高分子聚合物-金属-陶瓷材料的新型测温材料体系;提出一种多节点的三维阵列式电极结构。针对三维立体曲面高分子聚合物基底上的热电薄膜沉积难题,基于MEMS磁控溅射技术,实现曲面基底上薄膜的图形化转移。测试结果表明,所制备的多节点型薄膜温度传感器在-60~200℃量程内的灵敏度系数可达42μV/℃,从-60~100℃的静态测试中,温度时间漂移率为0.012℃/min,重复性误差为0.32%,最大迟滞为1.3%,满量程误差小于0.5%FS。同时采用脉冲激光法测得传感器的动态响应时间优于0.24 ms。在综合性能测试中,传感器在高速热气流冲击下仍有较高的温度分辨率,同时在不同工质中均可长时间正常工作24 h以上,可满足实际液压系统中长时间保持密封性与稳定性的测温需求。

硅微谐振压力传感器自动增益控制与相位补偿研究

硅微谐振压力传感器检测信号的幅值稳定性与频率跟踪性对其性能至关重要,但目前幅值控制与频率跟踪方法的非线性特征会造成谐振器振动频率的非线性变化,限制了传感器综合精度的进一步提升。为降低谐振器振动频率非线性变化的影响,基于自动增益控制(Automatic gain control,AGC)的线性化分析理论,建立高Q值硅微谐振压力传感器自动增益控制和相位补偿模型,分析AGC幅值控制和频率跟踪线性化的控制特性,以及相位补偿对闭环控制性能的影响。基于自动增益控制(AGC)的自激驱动被证实可使谐振器稳定工作于谐振频率,且保持幅值稳定,通过Simulink/PSpice建模仿真,验证非线性系统线性化分析的准确性。同时基于自动增益控制与相位补偿模型设计与制作的硅谐振压力传感器控制电路,经测试可使整表频率稳定性优于±0.05 Hz@采样周期5 ms,综合精度优于±0.02%FS,实现自动增益控制在谐振压力传感器的工程化应用,解决了谐振器频率跟踪非线性引起的传感器性能下降问题,可广泛应用于高Q值谐振器闭环控制。

用于航空发动机的光纤F-P温度传感器及其信号解调系统研究

光纤F-P温度传感器具有结构稳定、精度高、体积小、抗电磁干扰、质量轻和成本低等优点,在航空发动机高温测量领域具有重要的潜在应用。针对航空发动机的高温工况,利用多光束干涉原理设计了光纤F-P传感器,并通过端面检测、显微测量等手段完成了光纤F-P温度传感器的制备。针对传统光谱仪解调系统昂贵,解调速度慢的不足,以F-P滤波器和DSP为核心设计了传感器的信号解调系统,克服了传统光谱仪解调的局限性;进行了解调系统的硬件设计,完成了光电转换放大电路的原理设计、仿真分析和电路制作,实现了解调系统的初步搭建。在高控温精度的高温炉中采用标准热电偶对制备完成的传感器进行标定,结果表明:在30~1 000℃温度范围内,传感器的温度响应灵敏度为0.012 nm/℃,线性度为0.996。

基于微机械电子技术的黏度测量传感器

黏度作为流体特性的基本问题,在生物化工等诸多工程中是控制生产流程、保证安全生产、进行医学诊断及科学研究的基础性热物数据,为满足各个领域高精度与高效快捷的黏度测量需求,近年来黏度测量手段已不局限于如毛细血管法、旋转法等传统意义的宏观测量方法,基于微纳米尺度的黏度测量技术已展现出其突出的发展与应用前景。微机械电子系统(Microelectromechanical systems,MEMS)技术的蓬勃发展促使黏度测量集成化、智能化与实时性,多样化黏度测量方法不断涌现,其中谐振式黏度测量受到颇为广泛而深入的关注,并显示了瞩目的检测性能。首先回顾传统的黏度测量方法,然后再介绍了基于微机械电子技术的谐振式黏度测量方法,并分别总结了各自的特点。最后,对MEMS谐振式黏度测量方法的发展趋势进行了展望。