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光刻技術的基本原理范文1
家用的個人3D打印機
3D打印機主要用于研究所和工業制造領域，它可以幫助設計師盡快拿到新產品的原型，比如新的汽車擋泥板或者櫥柜門上的鉸鏈。不過，大部分工業制造領域使用的3D打印機不僅價格昂貴，而且體積都像自動售貨機一樣大。然而近幾個月，3D打印技術取得了突破性的進展。有些新型3D打印機的體積已經降到了類似多功能一體機的大小，而且價格也大幅降低。
家用3D打印機使用不同的方法實現三維物品快速成型。其中最重要的兩種技術分別是立體光刻（Stereo Lithography）和激光燒結（Laser Sintering）。立體光刻采用液態的光敏樹脂作為原料。采用該技術的3D打印機中的主要結構包含一個鋪著光敏樹脂的印刷臺和一個液壓升降機，液壓升降機比印刷臺的平面要低0.05mm，印刷臺的上方是紫外激光發射器。首先，通過計算機控制紫外激光按模型的各分層截面信息在光敏樹脂表面進行逐點掃描，被掃描區域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成模型的第一個薄層。第一層完成之后，液壓升降機會降低一層的高度（通常為0.05~0.25mm），在固化后的第一層樹脂表面再覆蓋一層新的液態樹脂，如此重復，直至得到三維實體模型。立體光刻技術的優勢是成型速度快，可以制作表面光滑的物體模型。然而，該技術也有一個致命的弱點，那就是合成樹脂材料的強度不高，制作出來的三維實體模型容易折斷。為了避免這種情況的出現，我們必須設計好三維模型的支撐結構，使其更加穩固。
同立體光刻一樣，激光燒結技術也需要使用到激光，但是不需要使用紫外激光，而是根據需要采用二氧化碳、釔鋁石榴石或者光纖等不同的激光器。另外，與立體光刻3D打印機的結構不同，采用激光燒結技術的3D打印機需要兩個液壓升降機。一個液壓升降機自下而上移動，傳送制作原料，通常是粉末狀的“聚酰胺12”，也可以使用金屬或者陶瓷粉等作為原料。另一個液壓升降機作為生成3D實體模型的印刷臺，采用相反的移動方向，也就是自上而下。打印時，一個圓柱體部件將一層粉末狀的原料從存儲箱“推送”到印刷臺上。激光在計算機的控制下，按照3D模型輪廓對原料粉末進行燒結。第一層完成后，原料存儲箱的液壓升降機上升“一層”的距離，而印刷臺則下降“一層”的距離，然后不斷循環，層層堆積成型。激光燒結技術的優勢是制造工藝簡單、原料價格便宜，主要應用于鑄造業。
免費的3D建模軟件
打印三維物體，首先需要創建該物體的3D模型。我們可以采用昂貴的CAD軟件或者免費的3D建模軟件Google SketchUp。雖然不同的3D打印機支持多種3D模型圖格式，但是STL（Standard Triangulation Language）是事實上的標準3D打印交換格式，它依據拓撲學原理“任何曲面都存在三角剖分”，也就是說大量三角形可以組成任何曲面物體。不過，我們需要通過安裝一個SketchUp轉STL插件（goo.gl/0WUKh）使Google SketchUp可以導出STL格式的文件。
3D打印：從模型到真實的物品
首先利用3D建模軟件制作出馬克杯的3D模型，然后通過以下兩種可行的方法進行打?。焖俪尚停┲螅粋€可以觸摸的真實物品就出現在眼前了。
3D圖形格式：3D打印機支持多種3D圖形格式。
STL：基于三角形可以組成任何曲面的原理實現。
VRML：專門為互聯網設計的虛擬現實建模語言。
X3D：VRML的最新升級版本，基于XML格式開發的可擴展三維語言。
圖樣：3D模型圖
我們需要為不同的3D打印機提供其支持的3D模型圖，既可以自己動手通過CAD或者Google SketchUp制作，也可以直接從互聯網上下載，然后讓3D打印服務商幫忙調整成可以使用的模型。
方法1：立體光刻fiE
開始的時候，液壓升降機處在最高位置上，印刷臺上覆蓋著薄薄的一層液體樹脂原料，通過計算機控制紫外激光按模型的各分層截面信息進行掃描和固化。然后液壓升降機下降“一層”的距離（通常是0.05mm~0.25mm），紫外激光再加固第二層液體原料，依次重復成型。
方法2：激光燒結
兩個液壓升降機模組同時工作：一臺負責傳送粉末狀的原料，一臺負責構建物體模型。首先，圓柱體部件向打印臺推送一層薄薄的粉末狀原材料，激光在計算機的控制下，按照3D模型輪廓對原料粉末進行燒結。然后不斷循環，層層堆積成型。
光刻技術的基本原理范文2
關鍵詞：快速成形技術；材料成形性；研究
80年代末期，美國率先應用快速形成技術（RP）。由于計算機技術的快速發展，特別是cad技術的廣泛應用，使得人們能夠在設計零件中，直接獲取零件中的三維數據。然后再利用分層切片的軟件，將cad的模型改變成薄截面層，最后通過快速成形的設備將其生成三維實體零件。故此，這被公認為制作技術領域的一次重大發展與突破。
一、RP的起源
在20世界70年代后期，日本的中川威雄運用了分層的技術，從而制造了金屬沖裁模，緊接著美國的的一家公司（3M公司）和其他幾家公司都相繼提出了RP的概念。這成為了RP發展的一個重大突破，隨后有關快速成形的概念以及技術等隨之出現，從而促進了現代科學技術的發展，進而對整個世界的進步有著非常重要的作用。
二、基本原理
（一）立體光刻裝置
立體光刻裝置是由美國一家公司最早推出的產品，其工作流程主要是先用CAD系統對零件進行三維造型設計，然后通過專門的切片軟件將這個cad模型進行分層處理，將其變成很薄的橫截面，接著用CAM軟件來控制萬向反射鏡，按照截面的形狀進行表面掃描，進而使得光敏樹脂變成固化狀態，從而形成整個實體零件，接著用升降臺將零件托出液面，然后再沖洗掉零件表面上的殘留液體，對其進行烘干，這樣就可以產生產品零件。
（二）激光選區燒結
激光選區燒結（SLS）是通過激光束流的方法對所產生的粉末進行加熱，使之達到燒結的溫度，最后就使得三維立體零件逐漸成形的方法。這種生產流程較之立體印刷相近，首先在工作臺上進行操作，燒結一層底層，然后操作工作臺分步下降，將粉末材料灑在底層的材料上，接著用滾筒將灑在底層的粉末滾平，繼而壓實，粉末材料的厚度與CAD中的切邊厚度相互對應，通過激光掃描的方式來使得加熱的粉末進行彼此的燒結。而沒有被掃描的粉末仍舊存在，直到整個零件被燒結而出。
（三）分層實體制造
分層實體制造（LOM）是以CAD模型為基礎，通過對切片的信息對箔材進行切割，并且將每一層箔材粘接成一個零件，一個三維實體零件[2]。其工作流程首先是運用激光裝置來進行切割，將箔材切成一個二維輪廓，隨著工作臺下降到一定的高度，通常是一個切片的高度，然后鋪上箔材并用熱壓的方法使它們粘接在箔材上，激光再次切割，如此往復，直到整個零件的完成。
（四）熔融沉積成形
熔融沉積成形（FDM）是通過一種專利噴嘴，用液化器在計算機的控制下，使得材料逐漸的堆積在一起，每一層就仿佛一個切片，從底層自下而上生成零件的方法。
（五）三維打印
三維打印（3DP）與噴墨打印的工作原理相似，即用噴嘴在粉層噴灑液態粘接劑，然后繼續鋪粉并噴粘接劑，這樣得到的三維形狀后，繼而采取高溫燒結的方式，使它變成固化狀態，進而得到材料。
三、材料的研究
當今發展最快的材料成形技術是RP&M技術，幾乎是每年就會發展一種新的技術，目前已經有十幾種工藝技術。
立體光刻裝置技術中較為常用原材料光敏樹脂，其開發時的收縮系數較小、所以在當今世界成為一種發展趨勢。而激光選區燒結技術最常用的材料有塑料、陶瓷、蠟等。分層實體制造技術的原材料有紙、塑料薄膜等，熔融沉積成形的材料是線材，三維打印技術的材料有陶瓷、塑料的粉體[3]。
四、材料的成形性研究
（一）成形的機理
快速成形有著不同的方法，而每種方法又有各自獨特的特點，并且材料的選用和形式也大不相同，所以導致了材料的成形機理也有著不同的特征。
在SLA的工藝生產流程中，樹脂材料的成形是通過線掃描的方式，進而導致其逐層固化，各個部位之間的結合會影響整體材料的性能，此外，FDM工藝生產流程中，成形材料經過了從固態到液態的歷程，出了噴嘴之后又會凝固成固相的形態。
（二）材料的成形性
在快速成形過程中，成形性就是材料適于加工難易程度并且能夠從其中獲得較為優質的性能的零件[4]。故此，材料的成形性與本質有著密切的關系，而且與成形方法的結構形式有著緊密的聯系。成形材料的本質包含著各個方面，如材料的化學成分，還有材料的物理性質以及材料的使用狀態等等。目前無論是在我國還是世界來看，都非常需要加強對這項技術的研究，與此同時，也非常迫切的需要成形的材料得到開發，使其能夠商品化，進而走進社會各個領域，以此來滿足工業化的需求，進而提升我們人們的日常生活水平。
（三）材料成形性的應用
把先進的材料用于這個快速成形的研究是當前世界科學領域的一大課題，目前先進復合材料是研究最多的，這對復合材料的研究以及金屬化合物的研究有著非常重要的影響，此外，其優點是能夠根據具體所達到的功能和經濟要求來進行設計。
五、結語
快速成形技術是新型發展起來的先進技術，在各個行業的應用還沒有達到太過廣泛的范圍，然而隨著現代計算機技術的高速發展、激光技術等學科也得到了一定程度上的提高，那么在科學領域中更大范圍的應用這個技術已經不遠了。所以我們要了解快速形成的技術，這對材料科學問題具有非常重要的意義，隨著這項研究的深入發展，必然能夠促使快速成形技術的不斷發展，進而走入工業化的進程，與此同時新材料的研究又會促進科學技術的不斷提升，進而為新材料的廣泛應用打好了堅實的基礎。
參考文獻：
[1]沈以赴，陳文華，趙劍峰，余承業，譚永生，劉方軍.快速成形技術中材料成形性的研究進展[J].材料科學與工程，2001，04：90-96.
[2]馬永輝，劉亞娟，徐晉勇，籃毓勝.淺析快速原型制造技術的材料成形性[J].裝備制造技術，2010，01：153-156.
光刻技術的基本原理范文3
【關鍵詞】記錄技術 盤片技術 磁頭技術 安全存儲技術
硬盤從上世紀誕生至今已有五十多年的歷史，由于它的大容量、高速度和低成本等特點，及其關鍵技術的不斷創新，使得數據存儲行業一直將其作為首選，并在與光存儲和半導體存儲的競爭中不斷壯大。硬盤涉及的技術主要有：記錄技術、盤片技術、磁頭技術、安全存儲技術、伺服技術、控制與接口技術、微電機技術、凈化與防靜電技術和精密機械技術等，本文將重點介紹其中幾項關鍵技術。
1 記錄技術
硬盤尺寸的減小是個循序漸進的過程，從早期的24"、14"升級到8"、5.25"，再發展到目前的3.5"、2.5"、1.8"和1"。隨著硬盤尺寸的縮小，所有組件也都同步變小，在硬盤尺寸縮小到一定程度或者存儲面密度提高到一定水平的時候，相應的讀寫記錄方式也就隨之進行了改進和創新，圖1描述了硬盤記錄技術的發展軌跡，從早期的縱向記錄到現在的垂直記錄以及今后將要采用的納米洞記錄、晶格介質記錄和熱輔助記錄等。
縱向記錄技術
多年以來，硬盤一直采用磁場的磁化方向與盤片表面平行的縱向記錄技術（見圖2）：磁化單元沿著盤片旋轉的方向排列，磁極相鄰，首尾相接順序從磁頭下方通過。整整一圈下來，就是一個磁道，盤片上的所有磁道都是同心圓。存儲面密度的提高，就意味著代表每個數據“位”的磁單元和組成它的磁粒的體積（主要是在盤片表面上所占的面積）要相應減小，其所具有的能量自然隨之下降，發展到一定程度之后，只需要很小的能量――譬如室溫下的熱能――就可以將磁粒翻轉（磁單元保存的數據便被破壞），這就是所謂的“超順磁性”效應（Super paramagnetic Effect）。為了避免磁粒在室溫下自動反轉磁路，可以使用具有高矯頑力（將其反轉需要較多的能量）的材料作磁層以提高熱穩定性，但這樣又會給磁頭正常的改寫數據帶來困難。
改進的縱向記錄技術
由于超順磁性效應的影響，即使硬盤處在正常的環境下，所保存的數據也會隨著時間的推移而逐漸丟失。其實，超順磁性效應對硬盤正常工作的影響并非最近才開始顯現，2001年創新的AFC（Anti-Ferromagnetic-Coupled，反鐵磁體耦合）介質就可以用來對抗超順磁性效應。這種被稱為Pixie dust（仙女之塵）的技術采用了一種“三明治”結構，即兩個磁層中間夾著一層厚度只有3個原子左右的稀有金屬（釕）層，上下兩層對應位置的磁粒具有相反的磁路方向，彼此互相穩定。圖3顯示了傳統磁介質與AFC磁介質的對比。RU layer即釕層，其所形成的夾層結構無疑比單純增加磁層厚度更為有效。
垂直記錄（PMR）技術
夾層結構在磁層厚度上做文章的思路很好，不過隨著磁單元和組成它的磁粒在盤片上所占的面積越來越小，磁路方向上的長度也越來越短，保持穩定的難度與日俱增。因此，垂直記錄技術干脆將對厚度的利用發揮到了極致：磁單元的磁路方向改變90°與平面相垂直（Perpendicular）（見圖4）。這樣，磁單元在盤片上所占的面積可以繼續減小，而在磁路方向上的長度（已變成磁層厚度）卻能夠保持不變甚至適當增加，從而保證了熱穩定性。垂直記錄的磁頭設計很巧妙：其信號極（Signal Pole）很窄，磁通量密度較高，足以使通過它下面的磁單元發生磁路反轉；返回極（Return Pole）很寬，磁通量密度較低，因此它下面的磁單元是相當安全的。此外其下增加的軟磁底層還有助于改善寫入時的穩定性。垂直記錄的另一個好處是，相鄰的磁單元磁路方向平行，磁極的兩端都挨在一起，雖然不像前述的夾層結構那樣上下兩層間形成反向耦合，但與縱向記錄相鄰的磁單元只在磁極一端相接的情況比起來，互相穩定的效果還是較為明顯的。采用垂直記錄技術的數據記錄密度已可達到每平方英寸500Gb。但要把數據密度提高到每平方英寸1Tb以上，則需采用納米洞（Nonohole）技術、晶格介質（Patterned Media）技術和熱輔助磁記錄（HAMR，Heat Assisted Magnetic Recording）技術。
納米洞（Nano-hole）記錄技術
具有納米孔排列紋路的技術，成功地將每個獨立的位元記錄在納米孔排列紋路的盤片上，而且達到將磁頭飛行在旋轉的磁片上，并且能對每一個納米孔作基本的讀寫。具有納米孔紋路的盤片是利用現有的加熱技術，以納米平板壓印、陽性氧化物和鈷電極形成100納米間距密度的納米孔紋路盤片，適合于現階段垂直技術（PMR），并可更充分發揮PMR技術的優點，每平方英寸1Tb的密度將使雙盤片的2.5寸硬盤輕松實現1.2TB的容量。
晶格介質記錄（BPM）技術
在晶格化介質中，磁記錄層是由高度統一磁島的有序陣列組成的，每個磁島都能夠存儲單個比特位的信息。晶格介質記錄將引入新的工藝步驟，其中最重要的一步是納米壓印刻蝕（NIL，Nanoimprint lithography）。NIL在制造高密度磁性記錄器件方面也具有很大的潛力。其中，研究人員在展望未來技術發展時指出，NIL與磁性顆粒自組裝技術的結合有可能將存儲密度提高到每平方英寸40Tb/以上。NIL技術是通過壓模的方法實現納米結構批量復制的，是公認的低成本、高分辨率、大面積圖形加工技術。NIL包括以下幾種技術：電子束直寫技術（EBDW，Electron-Beam Direct Write）、聚焦離子束刻蝕（FIB）、掃描探針顯微系統刻蝕（SPM）、紫外硬化壓印光刻（UV-NIL）、熱壓印刻蝕（HE，Hot embossing lithography）和微米/納米接觸壓印光刻（μ/n-CP）等。NIL技術發展非常迅速，目前已經可以達到分辨率小于10nm的水平。
光刻技術的基本原理范文4
關鍵詞:光電 定向 四象限探測器
1、引言
隨著光電技術的發展，光電探測的應用也越來越廣泛，其中光電定向作為光電子檢測技術的重要組成部分，是指用光學系統來測定目標的方位，在實際應用中具有精度高、價格低、便于自動控制和操作方便的特點，因此在光電準直、光電自動跟蹤、光電制導和光電測距等各個技術領域得到了廣泛的應用。光電定向方式有掃描式、調制盤式和四象限式，前兩種用于連續信號工作方式，后一種用于脈沖信號工作方式。，由于四象限光電探測器能夠探測光斑中心在四象限工作平面的位置，因此在激光準直、激光通信、激光制導等領域得到了廣泛的應用［1］. 本光電定向實驗裝置采用激光器作為光源，四象限探測器作為光電探測接收器，采用目前應用最廣泛的一種光電定向方式現直觀，快速定位跟蹤目標方位。定向原理由兩種方式完成：1、硬件模擬定向，通過模擬電路進行坐標運算，運算結果通過數字表頭進行顯示，從而顯示出定向坐標；2、軟件數字定向，通過AD轉換電路對四個象限的輸出數據進行采集處理，經過單片機運算處理，將數據送至電腦，由上位機軟件實時顯示定向結果。
本實驗系統是根據光學雷達和光學制導的原理而設計的，利用其光電系統可以直接、間接地測定目標的方向。采用650nm激光器做光源，用四象限探測器顯示光源方向和強度。通過實驗，可以掌握四象限光電探測器原理，并觀測到紅外可見光輻射到四象限探測器上的位置和強度變化。并利用實驗儀進行設計性實驗等內容，將光學定向應用到各領域中[2]。
2、實驗原理
2.1、系統介紹
光電定向是指用光學系統來測定目標的方位，在實際應用中具有精度高、價格低、便于自動控制和操作方便的特點，因此在光電準直、光電自動跟蹤、光電
制導和光電測距等各個技術領域得到了廣泛的應用。采用激光器作為光源，四象限探測器作為光電探測接收器，根據電子和差式原理，實現可以直觀、快速觀測定位跟蹤目標方位的光電定向裝置，是目前應用最廣泛的一種光電定向方式。該系統主要由發射部分，光電探測器，信號處理電路，A/D轉換和單片機，最后通過計算機顯示輸出。該系統結構框圖如圖1：
圖1 系統結構框圖
2.1.1激光器發射部分
光發射電路主要由光源驅動器、光源（主要是半導體光源，包括LED、LD等）、光功率自動控制電路（APC）等部分組成。用NE555組成的脈沖發生電路來驅動650nm的激光器。
2.1.2接收部分
接收部分主要由四象限探測器組成。四象限光電探測器是一種常用的精跟蹤探測器，其基本原理是光電效應，利用半導體材料吸收光子能量引起的電子躍遷，將光信號轉換為電信號．通常是利用集成光路光刻技術將完整的PN結光電二極管的光敏面分割成幾個具有相同形狀和面積、位置對稱的區域，每個區域可以看作1個獨立的光電探測器，其背面仍為一整片．理想情況下每個區域都具有完全相同的性能參量．象探測器光敏面形狀有圓形和矩形.如圖2所示[3].
（a）圓形光敏面QPD （b）矩形光敏面QPD
圖2 四象限探測器實物圖
如圖3（a）所示，四象限光電探測器光敏面有4部分A，B，C，D．假設入射光斑為圓形且能量分布均勻，如圖3
（b）所示，照射在光敏面上的光斑
被4個象限分成4個部分，4個象限的光斑面積分別為SA，SB，SC和SD．此時，由于光生伏特效應，在4個象限中產生與光信號對應的電信號，其對應電流大小分別為IA，IB，IC和ID．如圖2（c）所示，當光斑中心在四象限光電
探測器上的位置改變時，光敏面各象限上的光斑面積也會改變，從而引起四象限探測器各象限輸出電流強度的變化，通過一定的信號處理方法可以得到光斑能量中心位置相關信息．如圖4所示.
圖3 四象限探測器工作示意圖
圖4四象限探測器工作光路
根據輸出電流強度可以計算出光斑能量中心位置．用σx和σy分別表示x和y
軸上根據四象限光電探測器輸出信號經過一定的算法處理后的歸一化偏移量，σx和σy與光斑能量中心實際偏移量的對應關系利用加減算法得［6－7］
x0KxK(SASB)(SBSD) SASBSCSD
(SASB)(SBSD) SASBSCSDy0KyK
式中K 為比例常數，光斑能量中心偏移量σx和σy僅與光斑在探測器上的面積有關，只要得到了各象限面積之間的比例關系，即可得到光斑能量中心位置的坐標．光斑在探測器上移動如圖3（d）所示
2.2單脈沖定向原理
利用單脈沖光信號確定目標方向的原理有以下四種：和差式、對差式、
和差
比幅式和對數相減式。
2.2.1 和差式
這種定向方式是參考單脈沖雷達原理提出來的。
在圖5中，四象限探測器與直角坐標系坐標軸x,y重合，目標（近似圓形的光斑）成像在四象限探測器上。當目標圓形光斑中心與探測器中心重合時，四個光電二極管接收到相同的光功率，輸出相同大小的電流信號，表示目標方位坐標為：x＝0，y＝0.當目標圓形光斑中心偏離探測器中心，如圖3，四個光電二極管輸出不同大小電流信號，通過對輸出電流信號進行處理可以得到光斑中心偏差量x1和y1。若光斑半徑為r，光斑中心坐標為x1和y1，為分析方便，認為光斑得到均勻輻射功率，
總功率為P。在各象限探測器上得到扇形光斑面積是光斑總面積的一部分。若設各象限上的光斑總面積占總光斑面積的百分比為A、B、C、D。則由求扇形面積公式可推得如下關系[4]：
當2Xsin1(1) rX14x1時,ABCD1 rr
r即x1(ABCD) 4
r同理可得 y1(ABCD) 4
可見，只要能測出A、B、C、D和r的值就可以求得目標的直角坐標。但是在實際系統中可以測得的量是各象限的功率信號，若光電二極管的材料是均勻的，則各象限的光功率和光斑面積成正比，四個探測器的輸出信號也與各象限上的光斑面積成正比。如圖6，可得輸出偏差信號大小為
Vx1KP(ABCD)
Vy1KP(ABCD)
對應于 x1k(ABCD)
y1k(ABCD)
圖6 和差定向原理 式中krKP, K為常數，與系統參數有關。 4
2.2.2 對差式
將圖4的坐標系順時針旋轉45o，于是得
x2＝x1cos45o+y1sin45o＝2kAC
y2＝-x1cos45o+y1sin45o＝2kBD
2.2.3 和差比幅式
上述兩種情況中輸出的坐標信號均與系數k有關。而k又與接收到的目標輻射功率有關。它是隨目標距離遠近而變化的。這是系統輸出電壓Vx1、Vy1并不能
夠代表目標的真正坐標。采用下式表示的和差比幅運算可以解決這一問題。 x3k(ABCD)(ABCD)k(ABCD)(ABCD)
k(ABCD)(ABCD)k(ABCD)(ABCD)y3
式中不存在k系數。與系統接收到的目標輻射功率的大小無關，所以定向精度很高。
2.2.4 對數相減式
在目標變化很大的情況下，可以采用對數相減式定向方法。坐標信號為
x4＝lgkABlgkCD=lgABlgCD
y4＝lgkADlgkCB=lgADlgCB
光刻技術的基本原理范文5
摘要：介紹雙穩態顯示器件的原理、開展雙穩態顯示技術的意義和基本思路。在此基礎上簡要介紹現有比較成熟的幾種雙穩態顯示器件的基本原理、基本特性、研究進展和存在的問題，包括以液晶材料為核心的雙穩態器件、基于光干涉與機械雙穩態機構的iMod顯示器件、基于電泳現象的零電場雙穩態E-ink顯示器件。由于雙穩態發展歷史已經很久，本篇綜述的宗旨不在于介紹最新的發展狀況，而在于為提供雙穩態顯示器件較為完整的創造思想和方法。在液晶顯示單元雙穩態化的基礎上，作者提出OLED陣列、FED陣列的雙穩態結構的原理與技術途徑。提出通過現有技術的組合，實現顯示器件雙穩態化的大屏幕顯示器件的發展思路。
關鍵詞：平板顯示技術;雙穩態;膽甾液晶;手性向列液晶
中圖分類號：TN141.9文獻標識碼：A
Bistable Technology in Flat Panel Display：Actuality and Headway
HUANG Zi-qiang
(The School of Opto-electronic Information，University of Electronic
Science and Technology of China，Chengdu610054,China)
Abstract: The principle of the bistable display device, the significance of bistable display technique and the basic clue were introduced in the paper. Based on above knowledge, the current bistable display devices and its principle, research headway and existent problem were presented, including the bistable devices based on liquid crystal, based on combination of light interference and bistable mechanic display device(iMod), base on electrophoresis of zero electric field bistable E-ink display device. Due to history of development of bistable display device is quite long, Purpose of the overview is not only introduce the status of the field, moreover, purpose of the overview is to provide the creative ideas and the solutions for bistable display device.On the foundation of bistable idea, the bistable structure of OLED array, of FED will be presented. By combination of existed technology, the clue of development of large screen display by bistable technology is presented.
Keywords: flat panel display;bistable;cholesteric liquid crystal;chiral nematic mesophase
引言：問題的提出
用于電視、計算機顯示的高質量LCD（Liquid Crystal Display）通常為有源矩陣LCD。這種顯示器件需要在玻璃板上制造數以百萬的薄膜晶體管（thin film transistor，TFT）陣列，用于驅動每一個LCD像素。為了制造TFT，需要在大基板（例如第5代生產線基板尺寸為1,000 x 1,200 mm2）上淀積多晶硅、金屬層、絕緣層等，并進行3至5次精度在1μm左右的光刻、套刻，生產設備極其昂貴。建造一條第5代的有源矩陣LCD生產線需數百億人民幣。
塑料基板TFT-LCD是目前大屏幕液晶顯示器的發展方向。據日經新聞報道，東芝公司將制有TFT陣列的薄玻璃基板粘合在塑料基板上制造出了柔性LCD顯示器。在未來的5年，NEC、大日本油墨等10家公司投入數十億日元開展全塑料基板的有源矩陣LCD研究，主要研究塑料基板上低溫制造TFT的技術，當然也包括用有機材料構成有源矩陣的制造技術的研究。在塑料基板上制造TFT的困難除了基板的耐高溫問題，還有微米級線條的光刻套刻的問題。
無論是多晶硅TFT還是非晶硅TFT，或者是薄膜二端子器件陣列，其制造過程都伴隨著資源浪費和嚴重污染，因為玻璃基板上所淀積的金屬、硅、氧化物等最終不到10%被保留下來，其余的都被腐蝕清洗掉了。一條第5代TFT的生產線，每天內部循環再生污水3萬噸，向外部排放的不可再生的污水6,000噸。隨著基板尺寸和量產的擴大，這一問題愈加嚴重。
鑒于TFT生產的復雜性和對環境的破壞，有必要開發一種替代技術以解決上述問題。
事實上，TFT的作用僅在于為每一像素提供顯示存儲的功能，若能利用顯示器件本身的特點制造出具有雙穩態顯示特性的器件，則因雙穩態顯示本身就是存儲型顯示，就有可能省去TFT有源矩陣，從而降低大型顯示器件的投資要求和生產成本。
最廣泛使用的日光燈就是一種雙穩態氣體放電發光器件。將日光燈兩端的電極上加上180V的電壓時，日光燈并不發光，只有給出一個極短的高壓脈沖激發之后，日光燈才會在180V下發光。換言之，如同日光燈那樣的氣體放電發光器件在200V左右具有兩個穩定狀態：發光態與非發光態。200V為其狀態的長期儲存條件，該狀態將被存儲到再次被觸發的時刻。觸發也分兩種情況：氣體放電發光器件被高壓觸發成為發光態，而被零電壓觸發為非發光態。PDP等離子顯示器件的工作方式與之類似，在行掃描期間外部驅動電路根據該行欲顯示的內容予以觸發，掃描以后的鄰近一場的時間該行像素兩端電極被置為180V,或為存儲態，PDP像素的發光態或不發光態均要維持一場的時間，只有這樣，PDP才能達到可以接收的亮度和對比度。如上所述，由于PDP像素自身就具有存儲的特性，所以PDP不需要如TFT那樣的有源器件[1]。
OLED是另一種發光型顯示器件。使用OLED構成顯示器件的方式大致可分為兩類：一類是直接用OLED像素構成矩陣，稱為純矩陣OLED顯示器件[2]；另一類為有源矩陣驅動的OLED，即在OLED顯示器的每一個像素加上TFT和電容構成等效的存儲單元[3]。
純矩陣OLED顯示器件以OLED作為像素，將OLED像素的兩個端子分別接在顯示矩陣的行與列上，驅動電路按照逐行掃描的方式對像素尋址。稱為直接尋址方式。這種方式的優點是結構簡單，缺點是每一像素發光的時間只有行掃描被尋址的時間，即每場的1 / N（N為掃描行的數量），其余時間不發光，所以圖像極為暗淡。為了避免圖像發暗，只好成N倍地加大驅動電流，這又大大地降低了顯示器的壽命。這種方法僅適用于掃描行的數量較少的顯示器件，例如掃描行數不超過8行的數碼顯示屏等。即使如此，純矩陣的OLED顯示器壽命仍然會受到很大的影響。
在國內，受上述研究的啟發，電子科技大學的研究人員在除了在膽甾型液晶里加入了聚合物網絡外，還將基片與液晶之間的界面制成凹凸不平的形狀，讓不同小疇區域的液晶分子在界面上與聚合物網絡中的平面態有一定分布的隨機的傾斜，多個小疇形成的像素可以進一步展寬反射光譜范圍，實現白底黑字的顯示[6]。
然而，人們看慣了彩色顯示器，這種黑白顯示器的效果無法與彩色顯示器相比，這就促使研究人員開發具有零場雙穩態特性的彩色顯示器。
圖2相變型液晶的電光特性
對于膽甾型液晶場致相變的零場雙穩態顯示器件而言，問題似乎很簡單，將紅綠藍三層重疊為一體，紅綠藍分別由不同的驅動電路控制即可。Kent州立大學的研究人員以鍍有ITO薄膜的PET為基材，做出了原理性演示樣品[7]。
上述顯示單元的問題還在于響應速度較慢，只有3ms左右。試想，1000行的顯示器，按每行3ms的速度掃描，則刷新1幀的時間需要3s，無法完成視頻顯示。針對于此，吳葆剛先生在液晶中通過添加少量的水與活性劑，利用液晶疇之間粘度較低的水作，使液晶疇集體轉向的時間降低到原先的1 / 100[8]。
如上所述，這種場致相變顯示單元從高電壓下的向列相把電壓降低為零時，可能會出現兩種結果：快速降低時成為平面織構，緩慢降低時成為焦錐織構或指紋織構。研究發現，液晶分子在某一瞬態的流動造成了如上的差別。這意味著驅動電路只要能在這一瞬間提供恰當的電場，就能按意愿使液晶的織構成為平面態或焦錐態。對于此現象的深入研究，導致了3相或5相驅動法的發明，使每行的寫入時間降低到40μs，已經達到電視行（64μs）的水平[9]。由于瞬態液晶分子流動的理論模型尚未建立，這一領域的研究還只限于實驗研究[10]。
隨后的研究發現，其它類型的液晶雙穩態顯示也有類似的情況：由一種狀態轉向另一種狀態的某一時刻，電場的大小起關鍵的作用，因而也適用于多相驅動法[11]。
2.2手性向列液晶Friderikz轉變引起的雙穩態
這種情況下，液晶盒厚度d與螺距p之比在l左右。
連續彈性理論分析結果表明，將手性液晶充入平面取向的液晶盒中，當液晶在盒內的扭曲角達到270°時，中心液晶分子隨電壓變化的陡峭度為無窮大。通常情況下沒有考慮扭曲角超過270°以后液晶的指向隨電壓如何變化。
數值計算結果表示，在使用介電各向異性為正、扭曲角超過270°的長螺距的手性向列液晶的液晶盒(d／p～l時)時，指向矢隨電壓的變化會出現指向矢隨電壓滯后的特性。螺旋軸與電極面垂直的平面螺旋結構受到足夠強的電場Esat作用，除了盒表面附近的液晶分子以外，其他液晶分子均與電場方向平行，降低電場時液晶分子在較低的場強下才轉回為平面狀態。特別地，在施加電場時，這種液晶盒容易發生條帶狀或格柵狀的圖案。
Berreman和Heffner證明了在兩電極面上具有大預傾角(25°~35°)的傾斜取向時，條帶狀或格柵狀的圖案就會消失，而且證明了在此相變中會產生雙穩定態。圖3是用計算方法算出在具有大預傾角、扭曲360°的液晶盒中，液晶層中心部分的液晶分子的傾斜角是怎樣隨電壓變化的，如實線所示。
從此圖可以看出，電壓在約1.8V ~ 2.3V的范圍內時，中心液晶分子的指向矢在大于2.3V時陡然偏向90°，降低電壓時，直到1.8V前均維持90°變化不大，直到1.8V以下才陡然降到0°左右。在1.8至2.3之間為雙穩態區間。在此區間，液晶的指向矢可以為0°的狀態，也可以是90°的狀態。當然，液晶指向矢的偏向用眼睛是看不到的，將此種效應用于器件時，需要使用兩枚正交偏振片。在偏向角接近于0°時，液晶盒對于可見光，若滿足莫根條件，則將入射偏振光透過液晶層旋轉了360°，所以，若用正交放置的偏振片，則視野很暗。在傾角接近于90°時，液晶僅在中心部位指向矢接近于90°，而在其它位置接近于0°，由于液晶等效偏振波導被破壞，所以，入射到液晶層的直線偏振光在離開液晶層后就變成橢圓偏振光，因而液晶盒變得明亮。
進一步地，能產生雙穩態性質的電壓范圍ΔV取決于d / p，d／p增大，則工作電壓降低的同時，其雙穩態電壓范圍變窄。還取決于液晶材料的彈性常數的數值大小，例如，k33的值越大，雙穩區域越寬。
從原理上看到，這種顯示單元顯現雙穩態特點的范圍在2V左右，為非零場雙穩態模式，維持顯示需耗費能量，對比度與亮度均不高，視角范圍很窄，響應時間也比較慢。此外，這種顯示模式不存在零場雙穩態區域。由于上述原因，極少看到這類顯示器的研究報告。
2.3手性向列液晶表面錨定特性引起的雙穩態
由手性向列液晶表面錨定所引起的雙穩態的兩個要點是：
1)兩片沿面平行取向的基片中，基片A為低預傾角強錨定取向（小于3°），基片B為中預傾角（10°~20°）取向；
2)液晶在基片A上成強錨定，向列型液晶中添加適量的手性劑使之成自然扭曲的狀態時，與基片B表面的取向正好垂直。
以上下基片平行取向為例，添加手性劑的向列型液晶的螺距應該為盒厚的1 / 4，即盒內液晶的自然扭曲角為90°。由于上下基片的錨定作用，液晶在盒內的穩定狀態只能是0°或180°。為了在上述兩個穩定狀態實現較好的對比度，上下兩張偏振片是必不可少的，而且要用瓊斯矩陣或擴展瓊斯矩陣為工具計算最佳的盒厚與液晶的雙折射乘積。
有關利用手性向列液晶表面錨定特性實現的雙穩態液晶顯示器的研究，可詳見解志良等人于1999年第3期發表于本刊的論文[12]，這里不再贅述。（待續）
圖3 扭曲角達到360°時外加電壓與中心分子的傾角的關系
參考文獻
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光刻技術的基本原理范文6
關鍵詞: 機械制造; 加工工藝; 工業加工; 機械工業
中圖分類號：TD404 文獻標識碼：A 文章編號：
進入 21 世紀來，機械制造業迎來的是一個更為激烈的競爭和生存環境。新知識、新概念的不斷涌現和新產品、新工藝的迅速更新加速了市場的變化，企業面臨著更加嚴峻的挑戰。特別是在市場不斷高速變化的 21 世紀，企業不僅需要有對市場變化的快速反應能力，而且還需要通過技術創新和產品更新來不斷開拓市場、引導市場的能力?，F代制造技術就是為了適應這種競爭環境而產生的。它是在傳統制造技術的基礎上，不斷吸收和發展機械、電子、能源、材料、信息及現代管理等技術成果，并將其綜合應用于產品設計、制造、檢驗、管理、服務等生產周期的全過程，以實現“優質、高效、低耗、靈活、清潔”的生產技術模式，取得理想經濟效果的制造技術的總稱。
一、現代機械的先進加工工藝特點
隨著計算機技術、微電子技術、傳感技術、自動控制技術和機電一體化技術的迅速發展及其在機械制造方面的應用，由系統論、信息論和控制論所組成的系統科學和方法論與機械制造科學的密切結合，組成了機械制造系統，并形成了現代制造工程學。制造系統就是人、機器以及物料流和信息流的一個組合體?，F代制造技術特別強調入的主體作用，強調入、技術和管理三者的有機結合，因此，現代制造技術具有以下特征:
1． 現代機械制造技術己成為一門綜合性學科?，F代制造技術是由機械、電子、計算機、材料、自動控制、檢測和信息等學科的有機結合而發展起來的一門跨學科的綜合性學科。現代制造技術的各學科、各專業間不斷交叉融合，并不斷發展和提高。
2． 產品設計與機械制造工藝一體化。傳統的機械制造技術通常是指制造過程的工藝方法，而現代制造技術則貫穿了從產品設計、加工制造到產品的銷售、服務、使用維護等全過程，成為“市場調查十產品設計十產品制造十銷售服務”的大系統。如并行工程就是為了保證從產品設計、加工制造到銷售服務一次成功而產生的，已成為面向制造業設計的一個新的重要方法和途徑。
3． 現代機械制造技術是一個系統工程。現代制造技術不是一個具體的技術，而是利用系統工程技術、信息科學、生命科學和社會科學等各種科學技術集成的一個有機整體，已成為一個能駕馭生產過程的物質流、能量流和信息流的系統工程。
4． 現代機械制造技術更加重視工程技術與經營管理的有機結合。現代制造技術比傳統制造技術更加重視制造過程的組織和管理體制的簡化和合理化，由此產生了一系列技術與管理相結合的新生產方式。如制造資源計劃( MRP) 、準時生產( HT) 、并行工程( CE) 、敏捷制造( AM) 和全面質量管理( TQC) 等。
5． 現代機械制造技術追求的是最佳經濟效果。現代制造技術追求的目標是以產品生命周期服務為中心，以新產品開發速度快、成本低、質量好、服務佳、靈活性強取勝，并獲得最佳的經濟效果。
6． 現代機械制造技術特別強調環境保護?，F代制造技術必須充分考慮生態平衡、環境保護和有限資源的有效利用，做到人與自然的和諧、協調發展，建立可持續發展戰略。未來的制造業將是“綠色”制造業。
二、現代機械的先進加工工藝分類
現代制造技術的分類及發展大體上可從 5 個方面來論述。
1． 制造系統的自動化、集成化、智能化
機械制造自動化的發展經歷了單機自動化、剛性自動線、數控機床和加工中心、柔性制造系統( FMS) 和計算機集成制造等幾個階段，并向柔性化、集成化、智能化進一步發展。
2． 精密工程和特種加工方法
超精密加工和納米加工三個檔次。精密加工和超精密加工特種加工方法又稱非傳統加工方法，它是指一些物理的、化學的加工方法。如電火花加工、電解加工、超聲波加工、激光加工、電子束加工、離子束加工等。特種加工方法的主要對象是難加工的材料，如金剛石、陶瓷等超硬材料的加工，其加工精度可達分子級加工單位或原子級單位，所以它又常常是精密加工和超精密加工的重要手段* 。
3． 快速成形( 零件)
制造零件是一個三維空間實體，它可由在某個坐標方向上的若干個“面”疊加而成。因此，利用離散/堆積成形概念，可將一個王維空間實體分解為若干個二維實體制造出來，再經堆積而構成三維實體，這就是快速成形( 零件) 制造的基本原理，其具體制造方法很多，較成熟的商品化方法有疊層實體制造法和立體光刻等。如疊層實體制造，根據各疊層幾何信息，用數控激光機在鋪上一層箔材上切出本層輪廓，去除非零件部分，再鋪上一層箔材，用加熱輥輾壓，以固化粘接劑，使新鋪上的—層箔材牢固地粘接在己成形體上，再切割該層的輪廓，如此反復多次直至加工完畢。
4． 零件的分類編碼系統
零件分類編碼是對零件相似性進行識別的一個重要手段，也是 GT 的基本方法。是用數字來描述零件的幾何形狀、尺寸和工藝特征，即零件特征的數字化。零件分類是根據零件特征的相似性來進行的，這些特征主要分為以下三個方面;
1) 結構特征。零件的幾何形狀、尺寸大小、結構功能、毛坯類型等。
2) 工藝特征。零件的毛坯形狀及材料、加工精度、表面粗糙度、機械加工方法、定位夾緊方式、選用機床類型等。
3) 生產組織與計劃特征。加工批量，制造資源狀況，工藝過程跨車間、工段、廠際協作等情況。
零件的特征用相應的標志表示，這些標志由分類系統中的相應環節來描述。零件各種特征的標識按一定規則排成若干個“列”，每“列”就稱為碼位，也叫縱向分類環節; 在每個列( 碼位) 內又安排若干“行”，每一“行”稱為“項”，也叫橫向分類環節。零件分類編碼系統是實施成組技術的基礎和重要手段* 對零件進行分類成組，可以便零件設計標準化、系列化和通用化，輔助人工或計算機編制工藝過程和進行成組加工車間的平面設計，改進數控加工的程序編制，使工藝設計合理化: 促進工裝和工藝路線標準化，為計算機輔助制造打下基礎，進一步以成組的方式組織生產。零件的分類編碼反映了零件固有的名稱、功能、結構、形狀和工藝特征等信息。分類碼對于每種零件而言不是唯一的，即不同的零件可以擁有相同的或接近的分類碼，由此能劃分出結構相似或工藝相似的零件組來加工。它的特點是從毛坯到產品多數可在同一種類型的設備上完成，也可僅完成其中某幾道工序的加工。如在轉塔車床、自動車床加工的中小零件，多半屬于這種類型。這種組織形式是最初級的形式，最易實現，但對較復雜的零件，需用多臺機床完成時，其效果就不顯著。值得一提的是，自從出現加工中心以來，成組單機加工又重新得到重視。
5． 柔性制造系統
柔性制造系統一般是指用一臺主機將各臺數控機床連接起來，配以物料流與信息流的自動控制生產系統。它一方面進行自動化生產，而另一方面又允許相似零件組中不同零件，經過少量調整實現不同工序的加工。這一組織生產的方式，代表著現代制造技術的發展方向。值得一提的是，成組技術是計算機輔助工藝設計( CAPP) 的基礎之一，在成組技術基礎上發展起來的派生 CAPP 設計方法，已成為工藝現代化的一種主要方法。另外，成組技術作為一種生產哲理，對柔性制造技術和集成制造技術的發展產生了深刻的影響。
三、結語
總之，現代機械的先進加工工藝與制造技術的應用以新興微電子、光電技術為基礎，著力發展重型成套設備裝備能力，提高轎車大批量制造技術的水平，提高生產優質高效的精密儀器及工藝裝備的能力，為新產品的投產及形成規模提供新工藝、新裝備，形成合理比例的常規制造技術、先進制造技術及高新技術并存的多層次結構，這將成為我國機械加工技術近期發展的戰略任務。機械工業科技發展正面臨著挑戰與機遇并存的新形勢，我們應當抓住機遇，迎接挑戰，堅決貫徹“以科技為先導，以質量為主體”的方針，進一步推動我國機械工業的發展。
參考文獻:
［1］鄒慶華． 數控高效加工理論研究［J］． 機電產品開發與創新，2010，( 1) ．
