不知道几年前的课程论文，应该是各种复制粘贴过来的，不过看看作为一个提纲还是挺有用，学习不认真没添加参考文献引用，申明大部分内容非原创，谢绝跨省

纳米科技

纳米技术(nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。

从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：

第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。

第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。

第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。

当前纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面。用纳米材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米材料还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料，制作出生物材料和仿生材料。

纳米科技与制造之间的关系

近年来，随着半导体制造技术和超精密测量技术的迅速发展，加工制造精度越来越高，加工尺寸越来越小，机械结构越来越细，纳米技术已成为现代科技研究的前沿，成为世界各先进工业国家科技发展竞争的科技高峰之一。所谓纳米技术是加工精度为1nm即10^-9m的制造技术的总称。众所周知，固体物质的原子晶格为0.3nm数量级，因此，纳米数量级尺寸的加工精度已接近加工精度的极限，故有的称为原子技术或终极技术。

纳米技术的核心是超精密加工，特别是半导体制造和近年发展起来的微型机械及机电系统，其主要技术关键是微细尺寸加工。例如，高集成度的超大规模集成电路线宽达到亚微米级，则要求采用<10nm的加工精度的加工技术。又如，CD密纹磁盘、VD影碟等机电产品，塑料圆盘上的微细记录线宽0.7微米深0.1微米，这种要求极高的存储音像信息的高密度、高微细尺寸的沟纹，要求加工精细模具用压印或注塑成型制作加工制作在毫米以下的稍微复杂一点的结构，用机械加工的方法是不可能的，特别是制造复合结构，当今比较成熟的方法是硅加工技术，用改进的半导体工艺象集成电路那样制造机械零部件，还可和电路、电子器件、光路、光学器件集成制造在同一硅片上，制造微型机械、传感器、执行器和机电系统，实现光机电一体化。近年来发展十分迅速，而正面临新突破的微型机械，将开创一个机电一体化的新纪元，促进机电光计算机一体化的新发展。

实现纳米制造，必须要有纳米级的加工技术。超精细加工是指微米级以下的尺寸加工，而超精密加工是指零部件主体尺寸和加工制造在微米级以下的加工制造精度。超精细尺寸加工要求超精细加工，因此要求重复精度为4纳米或更小的分步重复照相机就成为关键。为此要求纳米级加工精度的加工装置和加工方法的研究就十分必要，这就是纳米技术所要研究解决的问题。

同时还应具有超精密检测技术。IBM的研究者在1982年研制成功了一种崭新原理的测头扫描型显微镜，用测头扫描型显微镜把原子、分子一个个按排列的位置作观察、计量以及操作，即为扫描隧道显微镜STM(scanning tunneling microscope)，事隔两年获得了诺贝尔奖金。在此思想的启发下，世界各国学者又研制T原子力显微镜AFM(atomic force microscope)、激光力显微镜LFM(laser force microscope)、磁力显微镜MFM(magnetic force microscope)、静电力显微镜(electrostatic force microscope)、热敏显微镜(temperature sensing microscope)等。

大行程纳米定位

大行程纳米定位平台系统在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极为重要的地位；高精度、高分辨率大行程纳米定位平台的研究处于国际前沿，体现了一个国家的高科技水平和综合国力。它直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平。同时，它的各项技术指标是各国高技术发展水平的重要标志。

小行程极高精度工作台大多采用压电元件或电磁元件作为驱动装置。行程多在数十微米的范围内，但位移分辨率可高达1 nm。大行程高精度工作台是指行程达毫米级以上，但定位精度略低于小行程系统的工作台系统。它大多采用直线电机或摩擦式驱动方式，运动分辨率大多在10 nm 左右。

大行程超精密工作台主要的类型有直线电机驱动、摩擦驱动式，也有采用两级进给的方式，即采用粗动与精动两套系统，以同时兼顾大行程、高响应速度和高定位精度。

伺服驱动系统

压电驱动器在位置控制方面有很好的执行性能：高频响应、尺寸小和热膨胀小等，但是其行程只有数十微米，在这个范围内，纳米定位一般通过压电驱动器驱动柔性铰链来实现。为了实现大行程的纳米定位，目前通用的方案是宏微双重驱动机构，即在粗定位工作台上安装一个微动工作台，首先采用大行程、低分辨率的机构进行粗定位，实现大行程范围内几个微米的定位精度；然后采用小行程、高分辨率的机构在微米行程范围内进行纳米定位。微动机构一般采用压电驱动器驱动柔性铰链机构，粗定位机构一般采用滚珠丝杠或直线电机。针对宏、微两个驱动机构设计两套闭环伺服控制系统，两步定位可以实现10nm以下的定位精度。尽管双重驱动机构在实践中可以获得很好的性能，但是它是一个冗余系统，需要两个工作台和相应的两套闭环控制系统，结构比较复杂。

摩擦驱动机构是利用摩擦力把伺服电机的回转运动转换成驱动杆的直线运动。传统的正交摩擦驱动类似于齿轮齿条副驱动，经过空气润滑，采用模型参考自适应控制，可以获得纳米级的定位精度，但其分辨率难以提高，而且对电机的低速性能要求很高。扭轮摩擦驱动是正交摩擦驱动和螺旋驱动相结合的产物，由一个光杠和一个扭轮螺母组成，可以获得很小的导程，摩擦阻力小，没有爬行和反向间隙，采用闭环反馈控制可以很好地解决大行程和高分辨率的问题。具有纳米分辨率的扭轮摩擦驱动机构最早由日本的Mizumoto Hiroshi教授提出，定位分辨率可以达到012nm。国防科技大学研制的扭轮摩擦驱动机构实测运动分辨率可以达到10nm，可以精确地进行50nm的定位运动。但是扭轮螺母结构复杂，不适合小型化。另外，由于螺母和光杠之间存“弹性滑动”现象，扭轮螺母的轴向刚度相对于滚珠丝杠螺母要低一个数量级。由于小导程、低刚度，扭轮摩擦驱动机构可以获得的加速度受到限制，不适合大加速度和高速运动场合。

直线电机相当于把一台交流感应电动机沿轴线方向剖开，然后把定子和转子展开成直线。原先的感应电动机通电以后在转子和定子之间产生的旋转磁场现在变成了沿直线方向移动的磁场，原先推动转子旋转的电磁力现在变成了直线的作用力。目前商业化的直线电机的标称分辨率一般小于10nm。直线电机驱动系统结构紧凑，但超精密驱动中多选用永磁式直线电机，需要采取措施解决磁铁吸引金属尘埃以及发热等缺陷，装配和拆卸不方便，直接驱动易引入振动而使系统的稳定性和动态性能变差，另外用于垂直驱动时需加平衡制动器，控制系统复杂。

利用静压技术的目的是消除相对运动部件之间的机械接触，从而大大减小或消除定位系统中的摩擦力。常用的静压丝杠主要有空气静压丝杠和液体静压丝杠，液体静压丝杠相对于空气静压丝杠具有更高的刚度和更好的精度。目前静压丝杠多用于大型超精密加工设备和超精密测量设备中，因为具有极小的摩擦系数，没有爬行和反向间隙，可以在较长的行程上保持纳米级的分辨率，而且可以长期保持精度。

“旋转电机+滚珠丝杠”是传统的精密驱动方式，经过预紧可以消除轴向移动产生的间隙，性价比高，动、 静刚度高，传动精度好，控制技术成熟。然而，摩擦和弹性变形等因素极大的影响着系统在微米和亚微米尺寸的响应，使其呈现出与宏观动力学特性完全不同的微动特性，影响着定位精度的提高。为了实现纳米分辨率，必须在闭环控制设计时研究并解决微动特性的影响。

导轨和测量反馈技术

超精密驱动中常使用的导轨有滚动导轨和静压导轨。滚动导轨的摩擦系数和动、 静摩擦系数差值都比较小，可以有效避免爬行现象的产生，在精密驱动机械中广泛应用。但是当定位精度达到纳米级时，摩擦的影响还是比较显著，在进行控制系统设计时不得不仔细考虑，另外，由于滚动体与导轨之间的接触为点接触或线接触，其抗振性较差。在大行程精密工作台中多采用静压导轨，而且以气体静压导轨居多，具有以下优点:摩擦系数很小，运动精度高，寿命长，能够保持很小的间隙。但是其承载能力低、刚度小、 气孔和导轨面需要高的加工精度，而且气体的可压缩性容易引起不稳定。磁悬浮导轨是近几年来兴起的一门新技术，它利用磁悬浮原理来避免导轨面的机械接触，但是磁悬浮导轨存在发热大、 控制复杂等缺点，目前在超精密加工领域的应用还不成熟。

纳米定位伺服控制系统需要纳米级的位置检测系统来实时地反馈位置信号，其位置精度最终通过位置检测系统来评定，可以说位置检测精度直接决定了位置控制精度。双频激光干涉仪是一种最常用的超精密位置测量装置，它以激光在真空中的波长作为长度基准，可以达到纳米乃至亚纳米级的测量分辨率。但在实际的测量过程中，其波长受气压、 温度、 湿度等环境参数的影响而发生变化，从而使其测量精度降低。另外，激光干涉仪反馈系统构成复杂、成本高，不利于快速构建超精密定位测量系统。光栅尺通过记录静尺和动尺相互移动产生的莫尔斯干涉条纹数来测量位移。光栅与激光干涉仪具有基本相同的测量精度，但它除了受温度的影响外，几乎不受其他环境因素的影响，使用维护非常方便，因此是超精密工作台位置测量反馈理想的传感器。超精密测量方面也有使用电容传感器的，虽然在测量精度上也能达到纳米级，但是它的测量范围最大只能达到几个毫米，而且存在电容传感器中各个电容参量的匹配问题，电容检测量的后处理困难，另外对环境条件要求苛刻，限制了其应用范围。

纳米技术与制造