一種普適高精度微結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于微機電系統(tǒng)，主要用于對微器件表面進行微結(jié)構(gòu)加工，通過參數(shù)的設(shè)定，由計算機自動完成對樣品表面微結(jié)構(gòu)的加工。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著納米技術(shù)的發(fā)展，對材料及材料表面進行微結(jié)構(gòu)加工的需求越來大。當(dāng)前對樣品表面進行微結(jié)構(gòu)加工的主要方法有，基于同步輻射光源的LIGA加工技術(shù)，電子束刻蝕(EBL)技術(shù)，離子束刻蝕(FIB)技術(shù)以及紫外光刻技術(shù)等。這些方法中，紫外光刻較為方便，成本低廉，速度快，但是精度低，LIGA、EBL和FIB精度高，但是設(shè)備昂貴，并且加工速度慢，可加工區(qū)域小。近年來國內(nèi)外已有科技工作者嘗試研發(fā)了不同的微結(jié)構(gòu)制備裝置，但是總體而言精度不夠高，工作溫度過低(僅限于一些熔點較低的材料)，加工過程中樣品氧化嚴重，因此，不斷探索新的方法和技術(shù)，發(fā)展綜合性能好、可加工大范圍，精度高，普適性強的微結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)，一直具有其必要性和重要性。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]本實用新型的目的是提供一種普適高精度微結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)。
[0004]一種普適高精度微結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)，包括底座支架、加熱腔保護體、控制腔、升降桿，底座支架支撐加熱腔保護體，加熱腔保護體上安裝有控制腔；加熱腔保護體內(nèi)設(shè)有加熱腔體，加熱腔體內(nèi)從低到高依次設(shè)有樣品臺托盤、樣品臺、進給壓頭，進給壓頭外設(shè)有進給壓頭套，升降桿貫穿了加熱腔保護體、加熱腔體后與樣品臺托盤相連；加熱腔體內(nèi)設(shè)有氣體循環(huán)子系統(tǒng)；控制腔內(nèi)設(shè)有導(dǎo)向桿、步進電機位移控制器、加壓器件、壓力傳感器、壓電陶瓷，借助于導(dǎo)向桿，步進電機位移控制器、加壓器件、壓力傳感器、壓電陶瓷依次相連。
[0005]所述的氣體循環(huán)子系統(tǒng)具體如下，加熱腔體的側(cè)壁設(shè)有進氣孔、出氣孔，進氣孔的位置低于出氣孔，出氣孔的直徑為進氣孔的直徑的1/3，氣體通過進氣孔氣泵通入，通過出氣孔排出。
[0006]所述的加熱腔體的側(cè)壁進一步設(shè)有熱電偶通孔，通過溫度P I D控制器向外接電腦傳輸數(shù)據(jù)。
[0007]所述的壓電陶瓷外套有水冷頭。
[0008]所述的升降桿通過螺紋孔與樣品臺托盤相連。
[0009]所述的進給壓頭、樣品臺分別采用氧化鋯耐高溫材料。
[0010]本實用新型的有益效果:
[0011]本系統(tǒng)采用獨特的氣體循環(huán)系統(tǒng)保證了加工過程中樣品被惰性氣體保護著，不會被氧化，并且本系統(tǒng)也采用獨特的水冷散熱系統(tǒng)，能讓系統(tǒng)工作在高溫下。該系統(tǒng)不僅彌補了紫外光刻的缺點，也克服了 LIGA等加工范圍小，時間長，成本高的缺點，其高效、經(jīng)濟、實用的優(yōu)點，有望在不斷發(fā)展的信息時代，成為加工樣品表面微結(jié)構(gòu)的又一新的途徑。
[0012]加工過程中樣品安全可靠，不易氧化；加工精度高，應(yīng)用壓電陶瓷可達納米級別；加工范圍大，范圍尺寸可達到微米級別；加工速度快，整個加工過程只需幾分鐘；加工成本低，加工便捷，每次加工只需要更換不同的模具。
[0013]
【附圖說明】
[0014]圖1是系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是控制腔以及電機系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)圖；
[0016]圖3是溫度控制系統(tǒng)圖及氣體循環(huán)系統(tǒng)圖；
[0017]圖4為系統(tǒng)工作時部分電氣和控制連接圖；
[0018]圖5為系統(tǒng)控制圖；
[0019]圖6為調(diào)零算法；
[0020]圖7-1、7-2分比為軟件輸入?yún)?shù)；
[0021]圖8工作算法；
[0022]圖中，1-1控制腔、1-2加熱腔保護體、1-3底座支架、2-1加壓器件、2_2托盤、2_3導(dǎo)向桿、2-4隔熱墊、3-1步進電機位移控制器、3-2壓力傳感器、3-3壓電陶瓷、4加熱腔體、4-1進給壓頭、4-2進給壓頭套、4-3樣品臺、4-4樣品臺托盤、4_5升降桿、4_6熱電偶通孔、5-1進氣孔、5-2出氣孔、6水冷頭。
【具體實施方式】
[0023]整個普適高精度微結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)的原理圖如圖1，控制圖如圖5所示，其中1-1為控制腔，1-2為加熱腔保護體，1-3為底座支架；加壓器件2-1、托盤2-2、導(dǎo)向桿2-3為控制腔的機械部分，加壓器件2-1為加壓器件，起到穩(wěn)壓的作用，托盤2-2用來支撐壓力傳感器
3-2與壓電陶瓷3-3，導(dǎo)向桿2-3，用來固定和導(dǎo)向整個控制腔1-1內(nèi)的器械，底部套有環(huán)形彈簧，用來緩沖來自上面的壓力，給位移留有余地。隔熱墊2-4，主要用于隔絕加熱腔加熱時傳到出來的熱量，使其不影響控制腔的正常工作；控制腔的傳感器包括步進電機位移控制器3-1、壓力傳感器3-2、壓電陶瓷3-3，主要用以監(jiān)控一種普適高精度微結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)工作時的各種狀態(tài)以及輸出一個精確的位移量；加熱腔體4包括進給壓頭4-1、進給壓頭套
4-2、樣品臺4-3、樣品臺托盤4-4、升降桿4-5，分別為加熱腔內(nèi)的零件，其中進給壓頭4-1用于當(dāng)壓電陶瓷輸出位移時對樣品是施壓，進給壓頭套4-2，用來固定壓頭，樣品臺4-3，用來擺放樣品及模具，樣品臺托盤4-4、升降桿4-5，用來配合樣品托盤對樣品的高度進行隨意調(diào)節(jié)，方便對不同厚度的樣品進行壓印，熱電偶通孔4-6，用來擺放熱電偶，如圖3所示，熱電偶外接溫度PID控制器，控制對加熱腔體4進行加熱，達到設(shè)定溫度后自動停止。
[0024]圖2為水冷系統(tǒng)和凋零過程原理圖，水冷頭6，主要作用在系統(tǒng)加熱時對壓電陶瓷
3-3進行散熱。螺紋孔(未用圖標)可以用做固定。
[0025]圖3為氣體循環(huán)子系統(tǒng)和加熱子系統(tǒng)原理圖，進氣孔5_1用來在系統(tǒng)工作時實時通氬氣，出氣孔5-2，用來在系統(tǒng)工作時出氣，達到氣體循環(huán)。
[0026]一種普適高精度微結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)的應(yīng)用分為7個步驟，
[0027]I)放樣:首先，將樣品放在樣品臺4-3上表面，需要進行壓印的一面對著進給壓頭
4-1;然后，將設(shè)計的模具放在樣品上表面，模具一面緊貼樣品，一面緊貼進給壓頭4-1。
[0028]2)打開氣體循環(huán)系統(tǒng):打開氬氣閥，通過進氣口 5-1向加熱腔體4通氣體，如氬氣瓶上壓力示數(shù)穩(wěn)定，說明氬氣已經(jīng)穩(wěn)定通入腔體內(nèi)部，形成保護氣體，有效防止樣品表面被氧化。
[0029]3)開打水冷系統(tǒng):開打連接在水冷頭6后纟而的水冷系統(tǒng)，一段時間后，水壓穩(wěn)定，說明水冷系統(tǒng)已經(jīng)正常工作，已經(jīng)對壓電陶瓷3-3進行冷卻。注意，水冷系統(tǒng)和氣體循環(huán)系統(tǒng)在工作時必須全程開打，不能中斷。
[0030]4)加熱:設(shè)置壓印時樣品的溫度。通過溫控系統(tǒng)將加熱腔加熱到樣品所需要的溫度并且保持此溫度15分鐘以上，使得加熱腔內(nèi)溫度均勻。
[0031]3)調(diào)零:如圖2，通過步進電機位移系統(tǒng)進行系統(tǒng)(3-1)的調(diào)零，使得系統(tǒng)在工作時壓電陶瓷(3-3)的頭部緊貼著進給壓頭(4-1)，具體實施為電腦通過監(jiān)控壓力傳感器(3-2)的讀數(shù)，通過如圖6的算法自動判斷是否滿足零點條件。
[0032]4)壓印:如圖4，設(shè)定壓印過程中的各種參數(shù)，壓印分為2中方式，具體參數(shù)設(shè)定如圖7-1與圖7-2，輸入壓印時的各種參數(shù)(例如圖7-1，40nm/每10s，2min/40s，圖7_2，零點壓力的1.5倍，2min40s)，然后點擊軟件上的開始，計算機(上位機)通過如圖8的自定義算法，來控制壓電陶瓷3-3高精度進給與后退，對樣品進行壓印。
[0033]5)冷卻:加工結(jié)束后，待加熱腔4冷卻至常溫后再取出樣品。
【主權(quán)項】
1.一種普適高精度微結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)，其特征在于，包括底座支架(1-3)、加熱腔保護體(1-2)、控制腔(1-1)、升降桿(4-5)，底座支架(1-3)支撐加熱腔保護體(1-2)，加熱腔保護體(1-2)上安裝有控制腔(1-1);加熱腔保護體(1-2)內(nèi)設(shè)有加熱腔體(4)，加熱腔體(4)內(nèi)從低到高依次設(shè)有樣品臺托盤(4-4)、樣品臺(4-3)、進給壓頭(4-1)，進給壓頭(4-1)外設(shè)有進給壓頭套(4-2)，升降桿(4-5)貫穿了加熱腔保護體(1-2)、加熱腔體(4)后與樣品臺托盤(4-4)相連；加熱腔體(4)內(nèi)設(shè)有氣體循環(huán)子系統(tǒng)； 控制腔(1-1)內(nèi)設(shè)有導(dǎo)向桿(2-3)、步進電機位移控制器(3-1)、加壓器件(2-1)、壓力傳感器(3-2)、壓電陶瓷(3-3)，借助于導(dǎo)向桿(2-3)，步進電機位移控制器(3-1)、加壓器件(2-1)、壓力傳感器(3-2)、壓電陶瓷(3-3)依次相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的普適高精度微結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)，其特征在于，所述的氣體循環(huán)子系統(tǒng)具體如下，加熱腔體(4)的側(cè)壁設(shè)有進氣孔(5-1)、出氣孔(5-2)，進氣孔(5-1)的位置低于出氣孔(5-2)，出氣孔(5-2)的直徑為進氣孔(5-1)的直徑的1/3，氣體通過進氣孔(5-1 )氣泵通入，通過出氣孔(5-2)排出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的普適高精度微結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)，其特征在于，所述的加熱腔體(4)的側(cè)壁進一步設(shè)有熱電偶通孔(4-6)，通過溫度P I D控制器向外接電腦傳輸數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的普適高精度微結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)，其特征在于，所述的壓電陶瓷(3-3)外套有水冷頭(6 )。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的普適高精度微結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)，其特征在于，所述的升降桿(4-5)通過螺紋孔與樣品臺托盤(4-4)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的普適高精度微結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)，其特征在于，所述的進給壓頭(4-1 )、樣品臺(4-3)分別采用氧化鋯耐高溫材料。
【專利摘要】本實用新型公開了一種普適高精度微結(jié)構(gòu)制備系統(tǒng)及應(yīng)用方法。本系統(tǒng)采用獨特的氣體循環(huán)系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)，結(jié)合加熱系統(tǒng)、位移系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，對樣品表面進行高精度微結(jié)構(gòu)制備。編制程序由電腦控制壓電陶瓷伸縮的位移系統(tǒng)，精度高；監(jiān)控系統(tǒng)可對加工過程中的各參數(shù)進行全程監(jiān)控；惰性氣體循環(huán)系統(tǒng)保證了加工過程中樣品表面不易被氧化，大幅度提高樣品的制備質(zhì)量；水冷散熱系統(tǒng)使得樣品的加工可以在高溫下進行，從而提高了樣品材料選擇的普適性。本系統(tǒng)具有成本低，效率高，速度快，精度高和普適性強等優(yōu)點，在微結(jié)構(gòu)制備領(lǐng)域具有很大的推廣和應(yīng)用前景。
【IPC分類】B81C1-00, G03F7-00
【公開號】CN204496160
【申請?zhí)枴緾N201520085074
【發(fā)明人】徐越, 孫理斌, 胡曉琳, 張冬仙, 蔣建中, 丁少慶
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年2月6日