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[材料资讯] 2019年度国家技术发明奖提名-精密反射式光栅压印制造技术及应用

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发表于 2019-2-15 10:22:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
2019年度国家技术发明奖提名公示材料
项目名称        精密反射式光栅压印制造技术及应用
提名单位        教育部

提名意见
(不超过600字)        该项目在国家重大专项、973等项目支持下,历经18年的研究,发明了精密反射式光栅的压印制造技术与读数方法,突破了纳米精度光栅结构的大面积一致性制造瓶颈,解决了反射式光栅大间隙容差读数难题,完成了系列产品的开发及应用。
主要发明点如下:发明了以时间映射长度的压印模具制造方法与光栅结构的释放保型压印制造工艺,解决了纳米精度光栅模具制造与压印复形工艺难题。发明了精密反射式光栅的卷对卷连续压印制造工艺,解决了超长、大幅面光栅一致性制造难题,完成了180 米超长光栅、米级幅面二维光栅和圆光栅的连续制造。发明了量子点光致增强的结构化相位光栅干涉成像读数技术,实现了反射式光栅2.4 ± 0.3 mm的读数间隙。
该项目获授权发明专利42件,核心发明专利获2018年陕西省专利二等奖;发表SCI论文111篇,总他引1150次(SCI他引596次)。研究成果已应用于国家平面角度基准装置、航天部段分离地面测量平台、大飞机装配、国家02专项193nm光刻机镜头组装配等重大工程项目;系列产品推广到高端装备领域多家企业,近三年累计新增销售额11.85亿元,新增利润2.05亿元,取得了显著的社会效益和经济效益。主要成果获得2014年教育部技术发明一等奖。
提名该项目为国家技术发明奖二等奖。

项目简介        该项目属于微纳米制造与精密测量技术领域。
精密反射式光栅是超精密测量、航空航天、高端制造装备等领域的关键位移传感部件。其中,光栅结构的纳米精度制造方法、大面积一致性制造工艺、大间隙容差读数技术是精密反射式光栅制造的三个关键核心技术。受限于精密反射式光栅光刻制造的技术封锁、装备垄断现状,我国精密反射式光栅的制造水平严重滞后,二维光栅、精度优于 ± 1 μm/m的线位移光栅和精度优于 ± 1"的圆光栅产品完全依赖进口,是高端装备精度提升的“卡脖子”问题。该项目历时18年的基础理论研究与技术攻关,发明了精密反射式光栅的压印制造方法、量子点光致增强的结构化相位光栅干涉成像读数技术,研制了精密反射式光栅压印制造的成套装备,实现了精密反射式光栅的规模化生产与应用。主要技术发明如下:
1、发明了以时间基准映射长度的压印模具制造方法、精密反射式光栅的释放保型压印工艺,实现了光栅结构精度向时间的溯源,解决了纳米精度光栅压印复形工艺难题,光栅结构的周期精度达到 ± 0.2 nm,为国际最高指标。
2、发明了精密反射式光栅的卷对卷连续压印制造工艺及装备,解决了纳米精度光栅结构的大幅面一致性制造难题,实现了180 米超长光栅、米级幅面二维光栅、米级幅面圆光栅的跨尺度、高效连续制造,光栅量程和幅面为国际最大。
3、发明了量子点光致增强的结构化相位光栅干涉成像读数技术,解决了精密反射式光栅的大间隙容差读数难题,线位移光栅测量精度优于 ± 0.2 μm/m、米级幅面二维光栅测量精度优于 ± 0.4 μm、圆光栅测量精度优于 ± 0.1",读数间隙容差2.4 ± 0.3 mm,指标达到国际领先水平。
4、基于以上关键技术发明,研制开发了超长线位移光栅、米级幅面二维光栅、米级幅面圆光栅等系列精密反射式光栅新产品。经德国联邦物理技术研究院(PTB)、中国计量科学研究院等权威计量机构检测,精度、量程、容差等关键技术指标达到国际领先水平。
该项目获授权中国发明专利41件、美国发明专利1件;出版英文专著1部;发表SCI论文111篇。精密反射式光栅压印制造技术通过教育部组织的技术成果鉴定,结论为“光栅制造精度达到亚纳米级,光栅卷对卷压印制造工艺属于国际首创技术”;大幅面二维光栅产品通过陕西省机械工程学会技术成果鉴定,结论为“产品技术指标达到国际同类产品领先水平”。
研究成果在以下国家重大工程取得应用:精度为 ± 0.1" 精密反射式圆光栅测量系统被认定为国家面角度基准系列装置主要技术载体;超长线位移光栅在55米超大量程高速航天部段分离地面测量平台中作为高速位移、速度同步测量部件;米级幅面精密反射式二维光栅在大飞机装配中作为空间大尺度测量网校准部件;超精密二维光栅应用于国产光刻机研制专项中193 nm光刻机镜组系统装配等。精密反射式光栅系列产品在航空制造、数控机床、高端印刷、精密测量仪器等高端装备领域取得应用与推广,近三年累计新增销售额XXX亿元,新增利润XXX亿元,取得了显著的社会效益和经济效益。部分研究成果获教育部技术发明一等奖。
客观评价        (一) 项目的新颖性和创造性评价:“国际首创技术”、“原创性性压印光栅制造工艺”、“创新的图形制造方法,纳米压印工艺的成功应用范例”、“高被引论文”
(1)由教育部组织,叶声华院士为主任的技术成果鉴定结论认为:“...压印制造工艺,达到光栅结构及棱线的纳米/亚纳米精度,具有明显的理论创新和实用价值”、“卷对卷压印制造工艺,属于国际首创技术”。
(2)德国SUSS MicroTec公司纳米压印研究部副主任-Ing. Ran Ji 博士对本项目纳米压印技术评价为:“压印光栅制造工艺为原创性”、“推动中国在纳米压印技术方面的独立研究和产业化进程”。
(3)该项目提出的微结构压印复形原理被Adv. Funct. Mater. (IF:13.3)、Nanoscale(IF:7.2)、J. Mater. Chem. C(IF: 5.9)3家国际权威杂志选用为封面文章,得到美国纳米科技网(Nanowerk)等8家国际权威研究机构专题报导,被16家国际信息平台及学术研究网站转载。
(4)日本生物机电微纳机电研究中心的H. Mekaru教授评价本项目连续压印工艺为:“创新的图形制造方法,纳米压印工艺的成功应用范例”。
(5)IOP出版集团统计数据,该项目在光栅信号纳米细分方法方面的研究论文为“Dimensions”领域的“高被引论文(Extremely Highly Cited)”论文,韩国首尔大学的Dong-Il Dan Cho教授评述为“实现了20位分辨力的光栅编码器研发”,中科院光电技术研究所黄永梅研究员评价为“提出了一种高鲁棒性的信号线性化方法,以高精度解调光栅位移”。
(6)IEEE Sensors journal副主编Tarikul Islam教授评价项目在光栅信号质量处理的研究成果为“所提的信号处理方法,具有简单有效、高可靠、低漂移的特点”。
(7)该项目提出的“释放保型压印工艺”被欧洲纳米科技国际研究中心副主任S. Lanceros-Mendez教授,先后16次在Progress in Polymer Science (IF:26.814)、Journal of Physical Chemistry C (IF:5.9)等国际权威杂志引用。
(8)相关研究成果获教育部技术发明一等奖1项,山东省科学技术二等奖1项。核心发明专利获陕西省专利奖二等奖1项。

(二)项目的先进性评价:“大幅面二维光栅测量系统产品的技术指标达到国际同类产品领先水平”
(1)由陕西省机械工程学会组织,中国计量科学研究院张恒为主任的技术成果鉴定结论认为:“大幅面二维光栅测量系统产品的技术指标达到国际同类产品领先水平”。
(2)经德国联邦物理技术研究院检测,压印制造的光栅周期精度 ± 0.2 nm、高度精度 ± 0.9 nm,同类指标国际最高。
(3)经过中国计量科学研究院对超精密线位移光栅精度检测:1米测量长度内,精度优于 ± 0.2 μm(计量报告:示值误差PV值0.236 μm),同类指标国际最高。
(4)陕西省计量科学研究院对超精密二维光栅精度检测:500 mm×500 mm测量长度内,X/Y双直线轴精度优于 ± 0.4 μm(计量报告:示值误差PV值0.77 μm),同类指标国际最高。
(5)中国计量科学研究院对超精密圆光栅精度检测:360゜全周期内测量,测角精度为 ± 0.1",国际最高精度指标。
(6)陕西省电子检验院对本项目开发的光栅电磁兼容适应性检测:静电抗扰度达8 kV、工频磁场抗扰度达10 A/m (50 Hz)。
(7)北京航天计量测试技术研究所对本项目开发的20套光栅系统以“军用装备、舰船电子设备标准环境试验方法,通过了环境适应性检测,相应指标为:温度试验有效时间6小时,盐雾试验有效时间96小时,交变湿热试验264小时。

(三)项目的自主知识产权评价:“具有完全自主知识产权”
(1)第一完成人主持的国家04专项课题“高档数控机床用长光栅制造及计数方法研究”,2015年12月通过验收,验收意见“课题完成了1m长母光栅原型制造、高精度光栅滚压印模具制造、读数头原型开发等任务书的研究内容和知识产权、人才队伍建设等相关指标”。
(2)项目获得授权中国发明专利41件,授权美国发明专利1件,授权实用新型专利3件,软件著作权2件。(附件XX)
(3)中国科学院光电技术研究所评价:“具有完全自主知识产权,性能先进,适用于半导体制造……”

(四)项目应用转化及促进科技进步评价:“满足“国家平面角度基准”的建设需求,为复现我国最高准确度角度量值,并参加最高级别的角度量值国际比对,实现角度单位国际互认提供了关键技术支撑”、“解决了高温、大振动、强冲击、粉尘等热锻应用环境难题”、“提高了产品开发效率,大幅度提升了公司技术水平和产品的市场竞争力”
(1)中国计量科学研究院应用评述:“有效满足“国家平面角度基准”的建设需求,为复现我国最高准确度角度量值,并参加最高级别的角度量值国际比对,实现角度单位国际互认提供了关键技术支撑”。
(2)西安三角防务有限公司评价指出:“解决了高温、大振动、强冲击、粉尘等热锻应用环境难题”,“为实现了微米级测量精度,为企业进行热锻力学分析、工艺优化及锻件组织结构控制提供了数值依据”。
(3)深圳市中图仪器应用评价为:“缩短了我公司产品设计周期,提高了产品开发效率,大幅度提升了公司技术水平和产品的市场竞争力”。
(4)西安威而信精密仪器应用评价为:“有效提升了我公司超精密量仪的创新能力和技术水平,大大加速了我公司纳米测量仪、多功能轮廓测量仪等相关新产品的开发进度和精度指标提升”。

应用情况        该项目研制开发的线位移光栅、二维光栅、圆光栅3个系列18种精密反射式光栅产品,在国家重大工程及高端装备行业中获得广泛应用,在打破禁运,替代进口,推动企业新产品研发等方面起到了显著作用,产生了显著的经济效益和社会效益。
主要应用单位如下:
序号        单位
名称        应用的技术        应用对象及规模        应用起止时间        单位联系人/电话
1        中国计量科学研究院        超精密圆光栅测量系统        作为“国家平面角度基准”装置中使用圆光栅复现平面角国际单位制(SI)-弧度(rad)主要技术载体,实现了分度误差优于±0.10″的测量精度。
定制化测量系统        2015年至今        黄垚
13691585357
2        国家运载火箭计量测试中心        精密超长线位移光栅测量系统        应用于55米超大量程航天部段分离地面测量平台,实现超大量程(55米),高速(5m/s)高精度测量(±5μm/s),位移与速度同步测量。
定制化测量系统        2016年至今        刘柯
13426405016
3        上海飞机制造有限公司        米级幅面精密反射式二维光栅测量系统        应用于标准运动轨迹发生装置,满足C919大型客机装配中激光跟踪仪、激光雷达等组成的跨尺度装配测量网的在线校准的应用要求。
定制化测量系统        2017年至今        邢宏文
18019293343
4        中国科学院光电技术研究所        超精密二维光栅测量系统        应用于193nm光刻机光学镜头组装配过程中的关键指标--光束畸变测量系统中,实现X、Y平面内的超精密重复定位(±5nm)。
定制化测量系统        2016年至今        赵立新
13568853630
5        西安三角防务有限公司        超长精密钢带光栅传感器        应用于4万吨大型航空模锻液压机,实现航空航天钛合金整体结构件锻压过程中,高温、大振动、强冲击、粉尘等应用环境下的精确位移测量,为热锻力学分析、工艺优化及锻件组织结构控制提供了数值依据。
定制化测量系统。        2016年至今        虢迎光
13992011706
6        西安威而信精密仪器有限公司        整体技术        项目开发的精密线位移光栅、大幅面二维光栅及圆光栅系列产品,全面应用于该公司的精密轮廓仪、圆柱度仪、三维轮廓仪、凸轮测量仪系列产品,作为直线、平面及角度测量部件。
批量应用        2014年至今        苗育青
15877553323
7        山东普鲁特机床有限公司        超长钢带光栅        应用于数控车床,龙门铣床、龙门加工中心多个主营产品,实现对数控机床直线轴的精密定位、反馈。
批量应用        2016年至今        李兴勇18306370901
8        重庆华中数控技术有限公司        超精密二维光栅        应用于机床动态精密测量系统,实现对机床双直线轴动态精度测量、与数控系统之间的通信及系统级误差补偿。
批量应用。        2015至今        蒋荣良
18086098909
9        深圳中图测量科技有限公司        超精密线位移光栅        应用于纳米测长机、超精密轮廓测量仪、螺纹综合测量机等公司主流产品,实现了亚微米测量精度、纳米级重复定位精度。
批量应用        2014年至今        张鹏
13632537252
10        广东互享精彩文化科技有限公司        超长精密线位移光栅        应用于紫外(UV)平板打印设备,满足了装备大行程、高速、微米级精度的应用需求。
批量应用        2015年至今        冯刚
13649885777
11        西安新达机械有限公司        超精密圆光栅        应用于XDSY等系列机组式凹版印刷机中全面使用,解决了各色印版在机组运行中转角的同步性难题,省去了传统多色套印机组中庞大而复杂的对正与调整机构。
批量应用        2015年至今        姚小军
15902971000

主要知识产权和标准规范等目录
知识产权(标准)类别        知识产权(标准)具体名称        国家(地区)        授权号(标准编号)        授权(标准发布)日期        证书编号(标准批准发布部门)        权利人(标准起草单位)        发明人(标准起草人)        发明专利(标准)有效状态
发明专利        以时间基准为参照的精密光栅制造方法        中国        ZL201210371250.7        2014-09-03        1474250        西安交通大学        刘红忠、蒋维涛、杨俊、丁玉成、
卢秉恒        有效专利
发明专利        动力学压印反射式光栅的制作方法        中国        ZL201110147448.2        2013-02-06        1131892        西安交通大学        刘红忠、徐维、史永胜、尹磊、丁玉成、卢秉恒        有效专利
发明专利        机床用超长光栅尺逆辊压印成型方法        中国        ZL201110127212.2        2012-07-04        985810        西安交通大学        刘红忠、李烜、史永胜、尹磊、冯龙、杨俊、丁玉成、卢秉恒        有效专利
授权发明专利        一种机床测量用光栅两步固化辊压印成型方法        中国        ZL201110126114.7        2012-09-05        1034783        西安交通大学        刘红忠、王良军、史永胜、尹磊、刘树林、丁玉成、卢秉恒        有效专利
发明专利        Flexible micro bumps operably coupled to an array of nano-pieaoelectric sensors        美国        US8749120B2        2014-06-10        US8749120B2        西安交通大学        刘卫华、刘红忠、李昕        有效专利
发明专利        一种机床用长光栅辊压印模具精密电铸加工方法        中国        ZL201210247375.9        2015-04-29        1648186        西安交通大学        刘红忠、赵效忠、尹磊、史永胜、冯龙、蒋维涛、卢秉恒        有效专利
发明专利        量子点植入反射式主动光栅及其制造方法        中国        ZL201110009472.X        2012-11-28        1086950        西安交通大学        刘红忠、丁玉成、徐维、卢秉恒        有效专利
发明专利        一种机床测量用光栅尺保护膜的涂覆方法        中国        ZL201110455547.7        2014-08-06        1456168        西安交通大学        刘红忠、刘树林、尹磊、史永胜、蒋维涛、王良军、冯龙、李烜、杨俊、丁玉成、卢秉恒        有效专利
发明专利        一种高精度同步监测旋转体转角及径向位移的系统        中国        ZL201611224322.X        2018-11-23        3160150        西安交通大学        刘红忠、李烜、叶国永、李国梁、史永胜、尹磊        有效专利
发明专利        以石墨烯键长作为计量基准的长度计量溯源方法        中国        ZL201210371352.9        2015-10-28        1825644        西安交通大学        刘红忠、蒋维涛、姜维、丁玉成、
卢秉恒        有效专利

主要完成人情况        1、        姓名:刘红忠
排名:1
行政职务:无
技术职称:教授
工作单位:西安交通大学
完成单位:西安交通大学
对本项目贡献:项目负责人,对发明点1-4 有创造性贡献,制定了总体思路和技术路线,把握项目实施进度。发明了以时间为基准的压印模具制造方法、工艺及装备,发明了量子点植入反射式主动光栅工艺原理及其制造方法,提出了基于两步固化原理的卷对卷连续压印成型方法。是发明点1,2,3,4的主要贡献者。佐证材料:ZL201210371250.7,ZL201110147448.2,ZL201110127212.2,ZL201110126114.7,US8749120B2,ZL201210247375.9,ZL201110009472.X
ZL201110455547.7,ZL201611224322.X,ZL201210371352.9等,见附件主要发明专利。
2、        姓名:卢秉恒
排名:2
行政职务:无
技术职称:教授
工作单位:西安交通大学
完成单位:西安交通大学
对本项目贡献:发明了时间基准映射长度的压印模具制造原理、提出了量子点植入反射式主动光栅制造工艺及其对大间隙容差读数的影响,提出了卷对卷连续压印装备原理、环境建设方案。是发明点1,2,3,4的重要贡献者。佐证材料:主要发明专利ZL201110147448.2;ZL201110127212.2;ZL201110126114.7;ZL201210247375.9;ZL201110455547.7;ZL201611224322等,见附件主要发明专利。
3、        姓名:史永胜
排名:3
行政职务:无
技术职称:副研究员
工作单位:西安交通大学
完成单位:西安交通大学
对本项目贡献:发明了卷对卷压印模具制造工艺同步性控制方法、超长光栅卷对卷压印工艺及光栅产品表面保护膜层制造工艺,反射式光栅的动力学压印方法。是发明点2,3,4的重要贡献者。佐证材料:主要发明专利ZL201110147448.2;ZL201110127212.2;ZL201110126114.7;ZL201210247375.9;ZL201110455547.7;ZL201611224322等,见附件主要发明专利。
4、        姓名:尹磊
排名:4
行政职务:无
技术职称:副研究员
工作单位:西安交通大学
完成单位:西安交通大学
对本项目贡献:发明了超长光栅尺辊压印生产方法及生产线和机床测量用光栅尺保护膜的涂覆方法。是发明点2和4的重要贡献者。
(2) 佐证材料:主要发明专利ZL201110147448.2;ZL201110127212.2;ZL201110126114.7;ZL201210247375;ZL201110455547.7;ZL201611224322等,见附件主要发明专利。
5、        姓名:叶国永
排名:5
行政职务:无
技术职称:副教授
工作单位:西安交通大学
完成单位:西安交通大学
对本项目贡献:发明了基于光学扫描干涉成像的读数原理,优化设计了光栅光学读数系统,是发明点3的重要贡献者。佐证材料: ZL201611224322,SCI论文6等,见附件主要发明专利及SCI目录。
6、        姓名:蒋维涛
排名:6
行政职务:无
技术职称:副教授
工作单位:西安交通大学
完成单位:西安交通大学
对本项目贡献:发明了时间基准映射长度的压印模具制造方法和卷对卷连续滚压印工艺方法,是发明点1,2的主要完成人。佐证材料:ZL201210371352.9;ZL201110455547.7;ZL201210247375;ZL201210371250.7等,见附件主要发明专利。
完成人合作关系说明        完成人刘红忠、卢秉恒、史永胜、尹磊、叶国永、蒋维涛均属于同一单位,为西安交通大学教师,同为精密光栅研发团队核心成员,已进行长期合作,先后联合承担了国家自然科学基金、973、863等多个反射式光栅相关项目,共同开展了精密反射式光栅压印制造工艺与读数技术研究。项目组所有完成针对精密反射式光栅制造的相关关键技术,通力合作,发明相关核心技术,并实施了产业化批量生产。合作详细关系如下:
        刘红忠与卢秉恒:刘红忠为卢秉恒指导的博士研究生,自2001年起共同开展基于微复型压印技术的反射式光栅制造工艺研究工作。联合承担项目、共同发表论文,共同奠定了该项目的理论基础与工艺路线。共同申报并授权了“动力学压印反射式光栅的制作方法”等8项发明专利。
        刘红忠与史永胜:先后师从卢秉恒教授,自2004年起共同开展反射式光栅制造工艺与装备开发工作,联合承担了国家04专项、企业委托的光栅制造项目。共同申报并授权了“机床用超长光栅尺逆辊压印成型方法”等6项发明专利。
        刘红忠与尹磊:先后师从卢秉恒教授,自2003年起共同开展反射式光栅卷对卷连续制造工艺研究,联合承担了国家04专项、863等项目。共同申报并授权了“一种机床测量用光栅尺保护膜的涂覆方法”等6项发明专利。
        刘红忠与叶国永:先后师从卢秉恒教授,自2011年起共同开展反射式光栅读数技术及光栅产品开发。共同申报并授权了“一种高精度同步监测旋转体转角及径向位移的系统”发明专利,合作发表论文,共同奠定了该项目反射式光栅读数理论及方法。
        刘红忠与蒋维涛:先后师从卢秉恒教授,自2004年起共同开展释放保型压印方法及模具制造工艺研究。共同申报并授权了“一种机床用长光栅辊压印模具精密电铸加工方法”等4项发明专利,合作发表论文,共同奠定了该项目压印制造技术理论。


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