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光刻技术的基本原理范文1
家用的个人3D打印机
3D打印机主要用于研究所和工业制造领域，它可以帮助设计师尽快拿到新产品的原型，比如新的汽车挡泥板或者橱柜门上的铰链。不过，大部分工业制造领域使用的3D打印机不仅价格昂贵，而且体积都像自动售货机一样大。然而近几个月，3D打印技术取得了突破性的进展。有些新型3D打印机的体积已经降到了类似多功能一体机的大小，而且价格也大幅降低。
家用3D打印机使用不同的方法实现三维物品快速成型。其中最重要的两种技术分别是立体光刻（Stereo Lithography）和激光烧结（Laser Sintering）。立体光刻采用液态的光敏树脂作为原料。采用该技术的3D打印机中的主要结构包含一个铺着光敏树脂的印刷台和一个液压升降机，液压升降机比印刷台的平面要低0.05mm，印刷台的上方是紫外激光发射器。首先，通过计算机控制紫外激光按模型的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成模型的第一个薄层。第一层完成之后，液压升降机会降低一层的高度（通常为0.05~0.25mm），在固化后的第一层树脂表面再覆盖一层新的液态树脂，如此重复，直至得到三维实体模型。立体光刻技术的优势是成型速度快，可以制作表面光滑的物体模型。然而，该技术也有一个致命的弱点，那就是合成树脂材料的强度不高，制作出来的三维实体模型容易折断。为了避免这种情况的出现，我们必须设计好三维模型的支撑结构，使其更加稳固。
同立体光刻一样，激光烧结技术也需要使用到激光，但是不需要使用紫外激光，而是根据需要采用二氧化碳、钇铝石榴石或者光纤等不同的激光器。另外，与立体光刻3D打印机的结构不同，采用激光烧结技术的3D打印机需要两个液压升降机。一个液压升降机自下而上移动，传送制作原料，通常是粉末状的“聚酰胺12”，也可以使用金属或者陶瓷粉等作为原料。另一个液压升降机作为生成3D实体模型的印刷台，采用相反的移动方向，也就是自上而下。打印时，一个圆柱体部件将一层粉末状的原料从存储箱“推送”到印刷台上。激光在计算机的控制下，按照3D模型轮廓对原料粉末进行烧结。第一层完成后，原料存储箱的液压升降机上升“一层”的距离，而印刷台则下降“一层”的距离，然后不断循环，层层堆积成型。激光烧结技术的优势是制造工艺简单、原料价格便宜，主要应用于铸造业。
免费的3D建模软件
打印三维物体，首先需要创建该物体的3D模型。我们可以采用昂贵的CAD软件或者免费的3D建模软件Google SketchUp。虽然不同的3D打印机支持多种3D模型图格式，但是STL（Standard Triangulation Language）是事实上的标准3D打印交换格式，它依据拓扑学原理“任何曲面都存在三角剖分”，也就是说大量三角形可以组成任何曲面物体。不过，我们需要通过安装一个SketchUp转STL插件（goo.gl/0WUKh）使Google SketchUp可以导出STL格式的文件。
3D打印：从模型到真实的物品
首先利用3D建模软件制作出马克杯的3D模型，然后通过以下两种可行的方法进行打印（快速成型）之后，一个可以触摸的真实物品就出现在眼前了。
3D图形格式：3D打印机支持多种3D图形格式。
STL：基于三角形可以组成任何曲面的原理实现。
VRML：专门为互联网设计的虚拟现实建模语言。
X3D：VRML的最新升级版本，基于XML格式开发的可扩展三维语言。
图样：3D模型图
我们需要为不同的3D打印机提供其支持的3D模型图，既可以自己动手通过CAD或者Google SketchUp制作，也可以直接从互联网上下载，然后让3D打印服务商帮忙调整成可以使用的模型。
方法1：立体光刻fiE
开始的时候，液压升降机处在最高位置上，印刷台上覆盖着薄薄的一层液体树脂原料，通过计算机控制紫外激光按模型的各分层截面信息进行扫描和固化。然后液压升降机下降“一层”的距离（通常是0.05mm~0.25mm），紫外激光再加固第二层液体原料，依次重复成型。
方法2：激光烧结
两个液压升降机模组同时工作：一台负责传送粉末状的原料，一台负责构建物体模型。首先，圆柱体部件向打印台推送一层薄薄的粉末状原材料，激光在计算机的控制下，按照3D模型轮廓对原料粉末进行烧结。然后不断循环，层层堆积成型。
光刻技术的基本原理范文2
关键词：快速成形技术；材料成形性；研究
80年代末期，美国率先应用快速形成技术（RP）。由于计算机技术的快速发展，特别是cad技术的广泛应用，使得人们能够在设计零件中，直接获取零件中的三维数据。然后再利用分层切片的软件，将cad的模型改变成薄截面层，最后通过快速成形的设备将其生成三维实体零件。故此，这被公认为制作技术领域的一次重大发展与突破。
一、RP的起源
在20世界70年代后期，日本的中川威雄运用了分层的技术，从而制造了金属冲裁模，紧接着美国的的一家公司（3M公司）和其他几家公司都相继提出了RP的概念。这成为了RP发展的一个重大突破，随后有关快速成形的概念以及技术等随之出现，从而促进了现代科学技术的发展，进而对整个世界的进步有着非常重要的作用。
二、基本原理
（一）立体光刻装置
立体光刻装置是由美国一家公司最早推出的产品，其工作流程主要是先用CAD系统对零件进行三维造型设计，然后通过专门的切片软件将这个cad模型进行分层处理，将其变成很薄的横截面，接着用CAM软件来控制万向反射镜，按照截面的形状进行表面扫描，进而使得光敏树脂变成固化状态，从而形成整个实体零件，接着用升降台将零件托出液面，然后再冲洗掉零件表面上的残留液体，对其进行烘干，这样就可以产生产品零件。
（二）激光选区烧结
激光选区烧结（SLS）是通过激光束流的方法对所产生的粉末进行加热，使之达到烧结的温度，最后就使得三维立体零件逐渐成形的方法。这种生产流程较之立体印刷相近，首先在工作台上进行操作，烧结一层底层，然后操作工作台分步下降，将粉末材料洒在底层的材料上，接着用滚筒将洒在底层的粉末滚平，继而压实，粉末材料的厚度与CAD中的切边厚度相互对应，通过激光扫描的方式来使得加热的粉末进行彼此的烧结。而没有被扫描的粉末仍旧存在，直到整个零件被烧结而出。
（三）分层实体制造
分层实体制造（LOM）是以CAD模型为基础，通过对切片的信息对箔材进行切割，并且将每一层箔材粘接成一个零件，一个三维实体零件[2]。其工作流程首先是运用激光装置来进行切割，将箔材切成一个二维轮廓，随着工作台下降到一定的高度，通常是一个切片的高度，然后铺上箔材并用热压的方法使它们粘接在箔材上，激光再次切割，如此往复，直到整个零件的完成。
（四）熔融沉积成形
熔融沉积成形（FDM）是通过一种专利喷嘴，用液化器在计算机的控制下，使得材料逐渐的堆积在一起，每一层就仿佛一个切片，从底层自下而上生成零件的方法。
（五）三维打印
三维打印（3DP）与喷墨打印的工作原理相似，即用喷嘴在粉层喷洒液态粘接剂，然后继续铺粉并喷粘接剂，这样得到的三维形状后，继而采取高温烧结的方式，使它变成固化状态，进而得到材料。
三、材料的研究
当今发展最快的材料成形技术是RP&M技术，几乎是每年就会发展一种新的技术，目前已经有十几种工艺技术。
立体光刻装置技术中较为常用原材料光敏树脂，其开发时的收缩系数较小、所以在当今世界成为一种发展趋势。而激光选区烧结技术最常用的材料有塑料、陶瓷、蜡等。分层实体制造技术的原材料有纸、塑料薄膜等，熔融沉积成形的材料是线材，三维打印技术的材料有陶瓷、塑料的粉体[3]。
四、材料的成形性研究
（一）成形的机理
快速成形有着不同的方法，而每种方法又有各自独特的特点，并且材料的选用和形式也大不相同，所以导致了材料的成形机理也有着不同的特征。
在SLA的工艺生产流程中，树脂材料的成形是通过线扫描的方式，进而导致其逐层固化，各个部位之间的结合会影响整体材料的性能，此外，FDM工艺生产流程中，成形材料经过了从固态到液态的历程，出了喷嘴之后又会凝固成固相的形态。
（二）材料的成形性
在快速成形过程中，成形性就是材料适于加工难易程度并且能够从其中获得较为优质的性能的零件[4]。故此，材料的成形性与本质有着密切的关系，而且与成形方法的结构形式有着紧密的联系。成形材料的本质包含着各个方面，如材料的化学成分，还有材料的物理性质以及材料的使用状态等等。目前无论是在我国还是世界来看，都非常需要加强对这项技术的研究，与此同时，也非常迫切的需要成形的材料得到开发，使其能够商品化，进而走进社会各个领域，以此来满足工业化的需求，进而提升我们人们的日常生活水平。
（三）材料成形性的应用
把先进的材料用于这个快速成形的研究是当前世界科学领域的一大课题，目前先进复合材料是研究最多的，这对复合材料的研究以及金属化合物的研究有着非常重要的影响，此外，其优点是能够根据具体所达到的功能和经济要求来进行设计。
五、结语
快速成形技术是新型发展起来的先进技术，在各个行业的应用还没有达到太过广泛的范围，然而随着现代计算机技术的高速发展、激光技术等学科也得到了一定程度上的提高，那么在科学领域中更大范围的应用这个技术已经不远了。所以我们要了解快速形成的技术，这对材料科学问题具有非常重要的意义，随着这项研究的深入发展，必然能够促使快速成形技术的不断发展，进而走入工业化的进程，与此同时新材料的研究又会促进科学技术的不断提升，进而为新材料的广泛应用打好了坚实的基础。
参考文献：
[1]沈以赴，陈文华，赵剑峰，余承业，谭永生，刘方军.快速成形技术中材料成形性的研究进展[J].材料科学与工程，2001，04：90-96.
[2]马永辉，刘亚娟，徐晋勇，篮毓胜.浅析快速原型制造技术的材料成形性[J].装备制造技术，2010，01：153-156.
光刻技术的基本原理范文3
【关键词】记录技术 盘片技术 磁头技术 安全存储技术
硬盘从上世纪诞生至今已有五十多年的历史，由于它的大容量、高速度和低成本等特点，及其关键技术的不断创新，使得数据存储行业一直将其作为首选，并在与光存储和半导体存储的竞争中不断壮大。硬盘涉及的技术主要有：记录技术、盘片技术、磁头技术、安全存储技术、伺服技术、控制与接口技术、微电机技术、净化与防静电技术和精密机械技术等，本文将重点介绍其中几项关键技术。
1 记录技术
硬盘尺寸的减小是个循序渐进的过程，从早期的24"、14"升级到8"、5.25"，再发展到目前的3.5"、2.5"、1.8"和1"。随着硬盘尺寸的缩小，所有组件也都同步变小，在硬盘尺寸缩小到一定程度或者存储面密度提高到一定水平的时候，相应的读写记录方式也就随之进行了改进和创新，图1描述了硬盘记录技术的发展轨迹，从早期的纵向记录到现在的垂直记录以及今后将要采用的纳米洞记录、晶格介质记录和热辅助记录等。
纵向记录技术
多年以来，硬盘一直采用磁场的磁化方向与盘片表面平行的纵向记录技术（见图2）：磁化单元沿着盘片旋转的方向排列，磁极相邻，首尾相接顺序从磁头下方通过。整整一圈下来，就是一个磁道，盘片上的所有磁道都是同心圆。存储面密度的提高，就意味着代表每个数据“位”的磁单元和组成它的磁粒的体积（主要是在盘片表面上所占的面积）要相应减小，其所具有的能量自然随之下降，发展到一定程度之后，只需要很小的能量――譬如室温下的热能――就可以将磁粒翻转（磁单元保存的数据便被破坏），这就是所谓的“超顺磁性”效应（Super paramagnetic Effect）。为了避免磁粒在室温下自动反转磁路，可以使用具有高矫顽力（将其反转需要较多的能量）的材料作磁层以提高热稳定性，但这样又会给磁头正常的改写数据带来困难。
改进的纵向记录技术
由于超顺磁性效应的影响，即使硬盘处在正常的环境下，所保存的数据也会随着时间的推移而逐渐丢失。其实，超顺磁性效应对硬盘正常工作的影响并非最近才开始显现，2001年创新的AFC（Anti-Ferromagnetic-Coupled，反铁磁体耦合）介质就可以用来对抗超顺磁性效应。这种被称为Pixie dust（仙女之尘）的技术采用了一种“三明治”结构，即两个磁层中间夹着一层厚度只有3个原子左右的稀有金属（钌）层，上下两层对应位置的磁粒具有相反的磁路方向，彼此互相稳定。图3显示了传统磁介质与AFC磁介质的对比。RU layer即钌层，其所形成的夹层结构无疑比单纯增加磁层厚度更为有效。
垂直记录（PMR）技术
夹层结构在磁层厚度上做文章的思路很好，不过随着磁单元和组成它的磁粒在盘片上所占的面积越来越小，磁路方向上的长度也越来越短，保持稳定的难度与日俱增。因此，垂直记录技术干脆将对厚度的利用发挥到了极致：磁单元的磁路方向改变90°与平面相垂直（Perpendicular）（见图4）。这样，磁单元在盘片上所占的面积可以继续减小，而在磁路方向上的长度（已变成磁层厚度）却能够保持不变甚至适当增加，从而保证了热稳定性。垂直记录的磁头设计很巧妙：其信号极（Signal Pole）很窄，磁通量密度较高，足以使通过它下面的磁单元发生磁路反转；返回极（Return Pole）很宽，磁通量密度较低，因此它下面的磁单元是相当安全的。此外其下增加的软磁底层还有助于改善写入时的稳定性。垂直记录的另一个好处是，相邻的磁单元磁路方向平行，磁极的两端都挨在一起，虽然不像前述的夹层结构那样上下两层间形成反向耦合，但与纵向记录相邻的磁单元只在磁极一端相接的情况比起来，互相稳定的效果还是较为明显的。采用垂直记录技术的数据记录密度已可达到每平方英寸500Gb。但要把数据密度提高到每平方英寸1Tb以上，则需采用纳米洞（Nonohole）技术、晶格介质（Patterned Media）技术和热辅助磁记录（HAMR，Heat Assisted Magnetic Recording）技术。
纳米洞（Nano-hole）记录技术
具有纳米孔排列纹路的技术，成功地将每个独立的位元记录在纳米孔排列纹路的盘片上，而且达到将磁头飞行在旋转的磁片上，并且能对每一个纳米孔作基本的读写。具有纳米孔纹路的盘片是利用现有的加热技术，以纳米平板压印、阳性氧化物和钴电极形成100纳米间距密度的纳米孔纹路盘片，适合于现阶段垂直技术（PMR），并可更充分发挥PMR技术的优点，每平方英寸1Tb的密度将使双盘片的2.5寸硬盘轻松实现1.2TB的容量。
晶格介质记录（BPM）技术
在晶格化介质中，磁记录层是由高度统一磁岛的有序阵列组成的，每个磁岛都能够存储单个比特位的信息。晶格介质记录将引入新的工艺步骤，其中最重要的一步是纳米压印刻蚀（NIL，Nanoimprint lithography）。NIL在制造高密度磁性记录器件方面也具有很大的潜力。其中，研究人员在展望未来技术发展时指出，NIL与磁性颗粒自组装技术的结合有可能将存储密度提高到每平方英寸40Tb/以上。NIL技术是通过压模的方法实现纳米结构批量复制的，是公认的低成本、高分辨率、大面积图形加工技术。NIL包括以下几种技术：电子束直写技术（EBDW，Electron-Beam Direct Write）、聚焦离子束刻蚀（FIB）、扫描探针显微系统刻蚀（SPM）、紫外硬化压印光刻（UV-NIL）、热压印刻蚀（HE，Hot embossing lithography）和微米/纳米接触压印光刻（μ/n-CP）等。NIL技术发展非常迅速，目前已经可以达到分辨率小于10nm的水平。
光刻技术的基本原理范文4
关键词:光电 定向 四象限探测器
1、引言
随着光电技术的发展，光电探测的应用也越来越广泛，其中光电定向作为光电子检测技术的重要组成部分，是指用光学系统来测定目标的方位，在实际应用中具有精度高、价格低、便于自动控制和操作方便的特点，因此在光电准直、光电自动跟踪、光电制导和光电测距等各个技术领域得到了广泛的应用。光电定向方式有扫描式、调制盘式和四象限式，前两种用于连续信号工作方式，后一种用于脉冲信号工作方式。，由于四象限光电探测器能够探测光斑中心在四象限工作平面的位置，因此在激光准直、激光通信、激光制导等领域得到了广泛的应用［1］. 本光电定向实验装置采用激光器作为光源，四象限探测器作为光电探测接收器，采用目前应用最广泛的一种光电定向方式现直观，快速定位跟踪目标方位。定向原理由两种方式完成：1、硬件模拟定向，通过模拟电路进行坐标运算，运算结果通过数字表头进行显示，从而显示出定向坐标；2、软件数字定向，通过AD转换电路对四个象限的输出数据进行采集处理，经过单片机运算处理，将数据送至电脑，由上位机软件实时显示定向结果。
本实验系统是根据光学雷达和光学制导的原理而设计的，利用其光电系统可以直接、间接地测定目标的方向。采用650nm激光器做光源，用四象限探测器显示光源方向和强度。通过实验，可以掌握四象限光电探测器原理，并观测到红外可见光辐射到四象限探测器上的位置和强度变化。并利用实验仪进行设计性实验等内容，将光学定向应用到各领域中[2]。
2、实验原理
2.1、系统介绍
光电定向是指用光学系统来测定目标的方位，在实际应用中具有精度高、价格低、便于自动控制和操作方便的特点，因此在光电准直、光电自动跟踪、光电
制导和光电测距等各个技术领域得到了广泛的应用。采用激光器作为光源，四象限探测器作为光电探测接收器，根据电子和差式原理，实现可以直观、快速观测定位跟踪目标方位的光电定向装置，是目前应用最广泛的一种光电定向方式。该系统主要由发射部分，光电探测器，信号处理电路，A/D转换和单片机，最后通过计算机显示输出。该系统结构框图如图1：
图1 系统结构框图
2.1.1激光器发射部分
光发射电路主要由光源驱动器、光源（主要是半导体光源，包括LED、LD等）、光功率自动控制电路（APC）等部分组成。用NE555组成的脉冲发生电路来驱动650nm的激光器。
2.1.2接收部分
接收部分主要由四象限探测器组成。四象限光电探测器是一种常用的精跟踪探测器，其基本原理是光电效应，利用半导体材料吸收光子能量引起的电子跃迁，将光信号转换为电信号．通常是利用集成光路光刻技术将完整的PN结光电二极管的光敏面分割成几个具有相同形状和面积、位置对称的区域，每个区域可以看作1个独立的光电探测器，其背面仍为一整片．理想情况下每个区域都具有完全相同的性能参量．象探测器光敏面形状有圆形和矩形.如图2所示[3].
（a）圆形光敏面QPD （b）矩形光敏面QPD
图2 四象限探测器实物图
如图3（a）所示，四象限光电探测器光敏面有4部分A，B，C，D．假设入射光斑为圆形且能量分布均匀，如图3
（b）所示，照射在光敏面上的光斑
被4个象限分成4个部分，4个象限的光斑面积分别为SA，SB，SC和SD．此时，由于光生伏特效应，在4个象限中产生与光信号对应的电信号，其对应电流大小分别为IA，IB，IC和ID．如图2（c）所示，当光斑中心在四象限光电
探测器上的位置改变时，光敏面各象限上的光斑面积也会改变，从而引起四象限探测器各象限输出电流强度的变化，通过一定的信号处理方法可以得到光斑能量中心位置相关信息．如图4所示.
图3 四象限探测器工作示意图
图4四象限探测器工作光路
根据输出电流强度可以计算出光斑能量中心位置．用σx和σy分别表示x和y
轴上根据四象限光电探测器输出信号经过一定的算法处理后的归一化偏移量，σx和σy与光斑能量中心实际偏移量的对应关系利用加减算法得［6－7］
x0KxK(SASB)(SBSD) SASBSCSD
(SASB)(SBSD) SASBSCSDy0KyK
式中K 为比例常数，光斑能量中心偏移量σx和σy仅与光斑在探测器上的面积有关，只要得到了各象限面积之间的比例关系，即可得到光斑能量中心位置的坐标．光斑在探测器上移动如图3（d）所示
2.2单脉冲定向原理
利用单脉冲光信号确定目标方向的原理有以下四种：和差式、对差式、
和差
比幅式和对数相减式。
2.2.1 和差式
这种定向方式是参考单脉冲雷达原理提出来的。
在图5中，四象限探测器与直角坐标系坐标轴x,y重合，目标（近似圆形的光斑）成像在四象限探测器上。当目标圆形光斑中心与探测器中心重合时，四个光电二极管接收到相同的光功率，输出相同大小的电流信号，表示目标方位坐标为：x＝0，y＝0.当目标圆形光斑中心偏离探测器中心，如图3，四个光电二极管输出不同大小电流信号，通过对输出电流信号进行处理可以得到光斑中心偏差量x1和y1。若光斑半径为r，光斑中心坐标为x1和y1，为分析方便，认为光斑得到均匀辐射功率，
总功率为P。在各象限探测器上得到扇形光斑面积是光斑总面积的一部分。若设各象限上的光斑总面积占总光斑面积的百分比为A、B、C、D。则由求扇形面积公式可推得如下关系[4]：
当2Xsin1(1) rX14x1时,ABCD1 rr
r即x1(ABCD) 4
r同理可得 y1(ABCD) 4
可见，只要能测出A、B、C、D和r的值就可以求得目标的直角坐标。但是在实际系统中可以测得的量是各象限的功率信号，若光电二极管的材料是均匀的，则各象限的光功率和光斑面积成正比，四个探测器的输出信号也与各象限上的光斑面积成正比。如图6，可得输出偏差信号大小为
Vx1KP(ABCD)
Vy1KP(ABCD)
对应于 x1k(ABCD)
y1k(ABCD)
图6 和差定向原理 式中krKP, K为常数，与系统参数有关。 4
2.2.2 对差式
将图4的坐标系顺时针旋转45o，于是得
x2＝x1cos45o+y1sin45o＝2kAC
y2＝-x1cos45o+y1sin45o＝2kBD
2.2.3 和差比幅式
上述两种情况中输出的坐标信号均与系数k有关。而k又与接收到的目标辐射功率有关。它是随目标距离远近而变化的。这是系统输出电压Vx1、Vy1并不能
够代表目标的真正坐标。采用下式表示的和差比幅运算可以解决这一问题。 x3k(ABCD)(ABCD)k(ABCD)(ABCD)
k(ABCD)(ABCD)k(ABCD)(ABCD)y3
式中不存在k系数。与系统接收到的目标辐射功率的大小无关，所以定向精度很高。
2.2.4 对数相减式
在目标变化很大的情况下，可以采用对数相减式定向方法。坐标信号为
x4＝lgkABlgkCD=lgABlgCD
y4＝lgkADlgkCB=lgADlgCB
光刻技术的基本原理范文5
摘要：介绍双稳态显示器件的原理、开展双稳态显示技术的意义和基本思路。在此基础上简要介绍现有比较成熟的几种双稳态显示器件的基本原理、基本特性、研究进展和存在的问题，包括以液晶材料为核心的双稳态器件、基于光干涉与机械双稳态机构的iMod显示器件、基于电泳现象的零电场双稳态E-ink显示器件。由于双稳态发展历史已经很久，本篇综述的宗旨不在于介绍最新的发展状况，而在于为提供双稳态显示器件较为完整的创造思想和方法。在液晶显示单元双稳态化的基础上，作者提出OLED阵列、FED阵列的双稳态结构的原理与技术途径。提出通过现有技术的组合，实现显示器件双稳态化的大屏幕显示器件的发展思路。
关键词：平板显示技术;双稳态;胆甾液晶;手性向列液晶
中图分类号：TN141.9文献标识码：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：问题的提出
用于电视、计算机显示的高质量LCD（Liquid Crystal Display）通常为有源矩阵LCD。这种显示器件需要在玻璃板上制造数以百万的薄膜晶体管（thin film transistor，TFT）阵列，用于驱动每一个LCD像素。为了制造TFT，需要在大基板（例如第5代生产线基板尺寸为1,000 x 1,200 mm2）上淀积多晶硅、金属层、绝缘层等，并进行3至5次精度在1μm左右的光刻、套刻，生产设备极其昂贵。建造一条第5代的有源矩阵LCD生产线需数百亿人民币。
塑料基板TFT-LCD是目前大屏幕液晶显示器的发展方向。据日经新闻报道，东芝公司将制有TFT阵列的薄玻璃基板粘合在塑料基板上制造出了柔性LCD显示器。在未来的5年，NEC、大日本油墨等10家公司投入数十亿日元开展全塑料基板的有源矩阵LCD研究，主要研究塑料基板上低温制造TFT的技术，当然也包括用有机材料构成有源矩阵的制造技术的研究。在塑料基板上制造TFT的困难除了基板的耐高温问题，还有微米级线条的光刻套刻的问题。
无论是多晶硅TFT还是非晶硅TFT，或者是薄膜二端子器件阵列，其制造过程都伴随着资源浪费和严重污染，因为玻璃基板上所淀积的金属、硅、氧化物等最终不到10%被保留下来，其余的都被腐蚀清洗掉了。一条第5代TFT的生产线，每天内部循环再生污水3万吨，向外部排放的不可再生的污水6,000吨。随着基板尺寸和量产的扩大，这一问题愈加严重。
鉴于TFT生产的复杂性和对环境的破坏，有必要开发一种替代技术以解决上述问题。
事实上，TFT的作用仅在于为每一像素提供显示存储的功能，若能利用显示器件本身的特点制造出具有双稳态显示特性的器件，则因双稳态显示本身就是存储型显示，就有可能省去TFT有源矩阵，从而降低大型显示器件的投资要求和生产成本。
最广泛使用的日光灯就是一种双稳态气体放电发光器件。将日光灯两端的电极上加上180V的电压时，日光灯并不发光，只有给出一个极短的高压脉冲激发之后，日光灯才会在180V下发光。换言之，如同日光灯那样的气体放电发光器件在200V左右具有两个稳定状态：发光态与非发光态。200V为其状态的长期储存条件，该状态将被存储到再次被触发的时刻。触发也分两种情况：气体放电发光器件被高压触发成为发光态，而被零电压触发为非发光态。PDP等离子显示器件的工作方式与之类似，在行扫描期间外部驱动电路根据该行欲显示的内容予以触发，扫描以后的邻近一场的时间该行像素两端电极被置为180V,或为存储态，PDP像素的发光态或不发光态均要维持一场的时间，只有这样，PDP才能达到可以接收的亮度和对比度。如上所述，由于PDP像素自身就具有存储的特性，所以PDP不需要如TFT那样的有源器件[1]。
OLED是另一种发光型显示器件。使用OLED构成显示器件的方式大致可分为两类：一类是直接用OLED像素构成矩阵，称为纯矩阵OLED显示器件[2]；另一类为有源矩阵驱动的OLED，即在OLED显示器的每一个像素加上TFT和电容构成等效的存储单元[3]。
纯矩阵OLED显示器件以OLED作为像素，将OLED像素的两个端子分别接在显示矩阵的行与列上，驱动电路按照逐行扫描的方式对像素寻址。称为直接寻址方式。这种方式的优点是结构简单，缺点是每一像素发光的时间只有行扫描被寻址的时间，即每场的1 / N（N为扫描行的数量），其余时间不发光，所以图像极为暗淡。为了避免图像发暗，只好成N倍地加大驱动电流，这又大大地降低了显示器的寿命。这种方法仅适用于扫描行的数量较少的显示器件，例如扫描行数不超过8行的数码显示屏等。即使如此，纯矩阵的OLED显示器寿命仍然会受到很大的影响。
在国内，受上述研究的启发，电子科技大学的研究人员在除了在胆甾型液晶里加入了聚合物网络外，还将基片与液晶之间的界面制成凹凸不平的形状，让不同小畴区域的液晶分子在界面上与聚合物网络中的平面态有一定分布的随机的倾斜，多个小畴形成的像素可以进一步展宽反射光谱范围，实现白底黑字的显示[6]。
然而，人们看惯了彩色显示器，这种黑白显示器的效果无法与彩色显示器相比，这就促使研究人员开发具有零场双稳态特性的彩色显示器。
图2相变型液晶的电光特性
对于胆甾型液晶场致相变的零场双稳态显示器件而言，问题似乎很简单，将红绿蓝三层重叠为一体，红绿蓝分别由不同的驱动电路控制即可。Kent州立大学的研究人员以镀有ITO薄膜的PET为基材，做出了原理性演示样品[7]。
上述显示单元的问题还在于响应速度较慢，只有3ms左右。试想，1000行的显示器，按每行3ms的速度扫描，则刷新1帧的时间需要3s，无法完成视频显示。针对于此，吴葆刚先生在液晶中通过添加少量的水与活性剂，利用液晶畴之间粘度较低的水作，使液晶畴集体转向的时间降低到原先的1 / 100[8]。
如上所述，这种场致相变显示单元从高电压下的向列相把电压降低为零时，可能会出现两种结果：快速降低时成为平面织构，缓慢降低时成为焦锥织构或指纹织构。研究发现，液晶分子在某一瞬态的流动造成了如上的差别。这意味着驱动电路只要能在这一瞬间提供恰当的电场，就能按意愿使液晶的织构成为平面态或焦锥态。对于此现象的深入研究，导致了3相或5相驱动法的发明，使每行的写入时间降低到40μs，已经达到电视行（64μs）的水平[9]。由于瞬态液晶分子流动的理论模型尚未建立，这一领域的研究还只限于实验研究[10]。
随后的研究发现，其它类型的液晶双稳态显示也有类似的情况：由一种状态转向另一种状态的某一时刻，电场的大小起关键的作用，因而也适用于多相驱动法[11]。
2.2手性向列液晶Friderikz转变引起的双稳态
这种情况下，液晶盒厚度d与螺距p之比在l左右。
连续弹性理论分析结果表明，将手性液晶充入平面取向的液晶盒中，当液晶在盒内的扭曲角达到270°时，中心液晶分子随电压变化的陡峭度为无穷大。通常情况下没有考虑扭曲角超过270°以后液晶的指向随电压如何变化。
数值计算结果表示，在使用介电各向异性为正、扭曲角超过270°的长螺距的手性向列液晶的液晶盒(d／p～l时)时，指向矢随电压的变化会出现指向矢随电压滞后的特性。螺旋轴与电极面垂直的平面螺旋结构受到足够强的电场Esat作用，除了盒表面附近的液晶分子以外，其他液晶分子均与电场方向平行，降低电场时液晶分子在较低的场强下才转回为平面状态。特别地，在施加电场时，这种液晶盒容易发生条带状或格栅状的图案。
Berreman和Heffner证明了在两电极面上具有大预倾角(25°~35°)的倾斜取向时，条带状或格栅状的图案就会消失，而且证明了在此相变中会产生双稳定态。图3是用计算方法算出在具有大预倾角、扭曲360°的液晶盒中，液晶层中心部分的液晶分子的倾斜角是怎样随电压变化的，如实线所示。
从此图可以看出，电压在约1.8V ~ 2.3V的范围内时，中心液晶分子的指向矢在大于2.3V时陡然偏向90°，降低电压时，直到1.8V前均维持90°变化不大，直到1.8V以下才陡然降到0°左右。在1.8至2.3之间为双稳态区间。在此区间，液晶的指向矢可以为0°的状态，也可以是90°的状态。当然，液晶指向矢的偏向用眼睛是看不到的，将此种效应用于器件时，需要使用两枚正交偏振片。在偏向角接近于0°时，液晶盒对于可见光，若满足莫根条件，则将入射偏振光透过液晶层旋转了360°，所以，若用正交放置的偏振片，则视野很暗。在倾角接近于90°时，液晶仅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导被破坏，所以，入射到液晶层的直线偏振光在离开液晶层后就变成椭圆偏振光，因而液晶盒变得明亮。
进一步地，能产生双稳态性质的电压范围ΔV取决于d / p，d／p增大，则工作电压降低的同时，其双稳态电压范围变窄。还取决于液晶材料的弹性常数的数值大小，例如，k33的值越大，双稳区域越宽。
从原理上看到，这种显示单元显现双稳态特点的范围在2V左右，为非零场双稳态模式，维持显示需耗费能量，对比度与亮度均不高，视角范围很窄，响应时间也比较慢。此外，这种显示模式不存在零场双稳态区域。由于上述原因，极少看到这类显示器的研究报告。
2.3手性向列液晶表面锚定特性引起的双稳态
由手性向列液晶表面锚定所引起的双稳态的两个要点是：
1)两片沿面平行取向的基片中，基片A为低预倾角强锚定取向（小于3°），基片B为中预倾角（10°~20°）取向；
2)液晶在基片A上成强锚定，向列型液晶中添加适量的手性剂使之成自然扭曲的状态时，与基片B表面的取向正好垂直。
以上下基片平行取向为例，添加手性剂的向列型液晶的螺距应该为盒厚的1 / 4，即盒内液晶的自然扭曲角为90°。由于上下基片的锚定作用，液晶在盒内的稳定状态只能是0°或180°。为了在上述两个稳定状态实现较好的对比度，上下两张偏振片是必不可少的，而且要用琼斯矩阵或扩展琼斯矩阵为工具计算最佳的盒厚与液晶的双折射乘积。
有关利用手性向列液晶表面锚定特性实现的双稳态液晶显示器的研究，可详见解志良等人于1999年第3期发表于本刊的论文[12]，这里不再赘述。（待续）
图3 扭曲角达到360°时外加电压与中心分子的倾角的关系
参考文献
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光刻技术的基本原理范文6
关键词: 机械制造; 加工工艺; 工业加工; 机械工业
中图分类号：TD404 文献标识码：A 文章编号：
进入 21 世纪来，机械制造业迎来的是一个更为激烈的竞争和生存环境。新知识、新概念的不断涌现和新产品、新工艺的迅速更新加速了市场的变化，企业面临着更加严峻的挑战。特别是在市场不断高速变化的 21 世纪，企业不仅需要有对市场变化的快速反应能力，而且还需要通过技术创新和产品更新来不断开拓市场、引导市场的能力。现代制造技术就是为了适应这种竞争环境而产生的。它是在传统制造技术的基础上，不断吸收和发展机械、电子、能源、材料、信息及现代管理等技术成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检验、管理、服务等生产周期的全过程，以实现“优质、高效、低耗、灵活、清洁”的生产技术模式，取得理想经济效果的制造技术的总称。
一、现代机械的先进加工工艺特点
随着计算机技术、微电子技术、传感技术、自动控制技术和机电一体化技术的迅速发展及其在机械制造方面的应用，由系统论、信息论和控制论所组成的系统科学和方法论与机械制造科学的密切结合，组成了机械制造系统，并形成了现代制造工程学。制造系统就是人、机器以及物料流和信息流的一个组合体。现代制造技术特别强调入的主体作用，强调入、技术和管理三者的有机结合，因此，现代制造技术具有以下特征:
1． 现代机械制造技术己成为一门综合性学科。现代制造技术是由机械、电子、计算机、材料、自动控制、检测和信息等学科的有机结合而发展起来的一门跨学科的综合性学科。现代制造技术的各学科、各专业间不断交叉融合，并不断发展和提高。
2． 产品设计与机械制造工艺一体化。传统的机械制造技术通常是指制造过程的工艺方法，而现代制造技术则贯穿了从产品设计、加工制造到产品的销售、服务、使用维护等全过程，成为“市场调查十产品设计十产品制造十销售服务”的大系统。如并行工程就是为了保证从产品设计、加工制造到销售服务一次成功而产生的，已成为面向制造业设计的一个新的重要方法和途径。
3． 现代机械制造技术是一个系统工程。现代制造技术不是一个具体的技术，而是利用系统工程技术、信息科学、生命科学和社会科学等各种科学技术集成的一个有机整体，已成为一个能驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流的系统工程。
4． 现代机械制造技术更加重视工程技术与经营管理的有机结合。现代制造技术比传统制造技术更加重视制造过程的组织和管理体制的简化和合理化，由此产生了一系列技术与管理相结合的新生产方式。如制造资源计划( MRP) 、准时生产( HT) 、并行工程( CE) 、敏捷制造( AM) 和全面质量管理( TQC) 等。
5． 现代机械制造技术追求的是最佳经济效果。现代制造技术追求的目标是以产品生命周期服务为中心，以新产品开发速度快、成本低、质量好、服务佳、灵活性强取胜，并获得最佳的经济效果。
6． 现代机械制造技术特别强调环境保护。现代制造技术必须充分考虑生态平衡、环境保护和有限资源的有效利用，做到人与自然的和谐、协调发展，建立可持续发展战略。未来的制造业将是“绿色”制造业。
二、现代机械的先进加工工艺分类
现代制造技术的分类及发展大体上可从 5 个方面来论述。
1． 制造系统的自动化、集成化、智能化
机械制造自动化的发展经历了单机自动化、刚性自动线、数控机床和加工中心、柔性制造系统( FMS) 和计算机集成制造等几个阶段，并向柔性化、集成化、智能化进一步发展。
2． 精密工程和特种加工方法
超精密加工和纳米加工三个档次。精密加工和超精密加工特种加工方法又称非传统加工方法，它是指一些物理的、化学的加工方法。如电火花加工、电解加工、超声波加工、激光加工、电子束加工、离子束加工等。特种加工方法的主要对象是难加工的材料，如金刚石、陶瓷等超硬材料的加工，其加工精度可达分子级加工单位或原子级单位，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)
制造零件是一个三维空间实体，它可由在某个坐标方向上的若干个“面”叠加而成。因此，利用离散/堆积成形概念，可将一个王维空间实体分解为若干个二维实体制造出来，再经堆积而构成三维实体，这就是快速成形( 零件) 制造的基本原理，其具体制造方法很多，较成熟的商品化方法有叠层实体制造法和立体光刻等。如叠层实体制造，根据各叠层几何信息，用数控激光机在铺上一层箔材上切出本层轮廓，去除非零件部分，再铺上一层箔材，用加热辊辗压，以固化粘接剂，使新铺上的—层箔材牢固地粘接在己成形体上，再切割该层的轮廓，如此反复多次直至加工完毕。
4． 零件的分类编码系统
零件分类编码是对零件相似性进行识别的一个重要手段，也是 GT 的基本方法。是用数字来描述零件的几何形状、尺寸和工艺特征，即零件特征的数字化。零件分类是根据零件特征的相似性来进行的，这些特征主要分为以下三个方面;
1) 结构特征。零件的几何形状、尺寸大小、结构功能、毛坯类型等。
2) 工艺特征。零件的毛坯形状及材料、加工精度、表面粗糙度、机械加工方法、定位夹紧方式、选用机床类型等。
3) 生产组织与计划特征。加工批量，制造资源状况，工艺过程跨车间、工段、厂际协作等情况。
零件的特征用相应的标志表示，这些标志由分类系统中的相应环节来描述。零件各种特征的标识按一定规则排成若干个“列”，每“列”就称为码位，也叫纵向分类环节; 在每个列( 码位) 内又安排若干“行”，每一“行”称为“项”，也叫横向分类环节。零件分类编码系统是实施成组技术的基础和重要手段* 对零件进行分类成组，可以便零件设计标准化、系列化和通用化，辅助人工或计算机编制工艺过程和进行成组加工车间的平面设计，改进数控加工的程序编制，使工艺设计合理化: 促进工装和工艺路线标准化，为计算机辅助制造打下基础，进一步以成组的方式组织生产。零件的分类编码反映了零件固有的名称、功能、结构、形状和工艺特征等信息。分类码对于每种零件而言不是唯一的，即不同的零件可以拥有相同的或接近的分类码，由此能划分出结构相似或工艺相似的零件组来加工。它的特点是从毛坯到产品多数可在同一种类型的设备上完成，也可仅完成其中某几道工序的加工。如在转塔车床、自动车床加工的中小零件，多半属于这种类型。这种组织形式是最初级的形式，最易实现，但对较复杂的零件，需用多台机床完成时，其效果就不显著。值得一提的是，自从出现加工中心以来，成组单机加工又重新得到重视。
5． 柔性制造系统
柔性制造系统一般是指用一台主机将各台数控机床连接起来，配以物料流与信息流的自动控制生产系统。它一方面进行自动化生产，而另一方面又允许相似零件组中不同零件，经过少量调整实现不同工序的加工。这一组织生产的方式，代表着现代制造技术的发展方向。值得一提的是，成组技术是计算机辅助工艺设计( CAPP) 的基础之一，在成组技术基础上发展起来的派生 CAPP 设计方法，已成为工艺现代化的一种主要方法。另外，成组技术作为一种生产哲理，对柔性制造技术和集成制造技术的发展产生了深刻的影响。
三、结语
总之，现代机械的先进加工工艺与制造技术的应用以新兴微电子、光电技术为基础，着力发展重型成套设备装备能力，提高轿车大批量制造技术的水平，提高生产优质高效的精密仪器及工艺装备的能力，为新产品的投产及形成规模提供新工艺、新装备，形成合理比例的常规制造技术、先进制造技术及高新技术并存的多层次结构，这将成为我国机械加工技术近期发展的战略任务。机械工业科技发展正面临着挑战与机遇并存的新形势，我们应当抓住机遇，迎接挑战，坚决贯彻“以科技为先导，以质量为主体”的方针，进一步推动我国机械工业的发展。
参考文献:
［1］邹庆华． 数控高效加工理论研究［J］． 机电产品开发与创新，2010，( 1) ．
