專利名稱：一種納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接和材料納米加工領(lǐng)域，具體涉及一種納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置和方法。
背景技術(shù)：
微納米技術(shù)已被越來越廣泛地應(yīng)用于人們的日常生活中。傳統(tǒng)的微納米元器件的加工方法，如光刻技術(shù)，采用的是一種自上而下的加工方法，其基本原理是通過光化學(xué)反應(yīng)使光罩上的外形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到基質(zhì)表面上，通過在基質(zhì)上涂布光刻膠、曝光、顯影、刻蝕、去膠等步驟得到微納米結(jié)構(gòu)。該方法步驟繁多、操作復(fù)雜，而且基本只適用于平面微納米結(jié)構(gòu)的制備。對(duì)于具有三維結(jié)構(gòu)的微納米結(jié)構(gòu)，光刻制備方法一般采取逐層疊加的方法，即先經(jīng)過上述描述的光刻步驟制備得到第一層微納米結(jié)構(gòu)，然后涂布第二層基質(zhì)材料并進(jìn)行第二次光刻操作得到第二層結(jié)構(gòu)，如此重復(fù)直至得到最后的三維結(jié)構(gòu)?？梢姡饘盈B加的光刻方法對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維微納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)較為不易。因此，另外一種自下而上的納米結(jié)構(gòu)組裝方法越來越多地得到人們的應(yīng)用。該方法直接對(duì)微納米量級(jí)的點(diǎn)、線等基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維的操控和組裝已得到所需的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。 比如中國(guó)專利CN 201010278161. 9中所述的方法，其原理是利用掃描隧道顯微鏡探針針尖與納米線之間的靜電吸引力對(duì)納米線進(jìn)行操縱并組成一定的三維結(jié)構(gòu)。然而該種方法所得到的納米線之間的連接僅僅依靠分子間接觸時(shí)的弱引力實(shí)現(xiàn)，所以連接強(qiáng)度并不可靠。另一方面，由于微納米器件集成度較高，在生產(chǎn)和使用過程中一旦出現(xiàn)局部的缺陷或者損壞將導(dǎo)致整個(gè)元器件的報(bào)廢。比較常見的損壞方式包括連接點(diǎn)脫落、金屬導(dǎo)線的斷開等等，目前尚未有有效的方法進(jìn)行修復(fù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于針對(duì)目前微納米加工設(shè)備和方法存在的上述問題，提供一種納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置和方法。采用這種裝置和方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微納米器件的納米尺度的電阻點(diǎn)焊、組裝和局部修復(fù)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置， 包括高倍光學(xué)顯微鏡、掃描探針顯微鏡、焊接控制電源以及焊接連線，其中，所述高倍光學(xué)顯微鏡用于對(duì)被加工工件的待焊接部位的初步定位和對(duì)焊接過程的實(shí)時(shí)觀察，所述焊接控制電源用于提供焊接時(shí)所需電源，所述掃描探針顯微鏡用于對(duì)被加工工件待焊接部位的精確定位和焊接，包括可導(dǎo)電的掃描探針、控制及反饋連線、控制及反饋模塊；掃描探針用于精確定位時(shí)，掃描探針、被加工工件分別通過控制及反饋連線與控制及反饋模塊相連接，同時(shí)掃描探針、被加工工件與焊接控制電源之間的連接斷開；掃描探針用于焊接時(shí)，掃描探針、被加工工件分別通過焊接連線連接到焊接控制電源的正負(fù)兩極，掃描探針與被加工工件的待焊接部位相接觸，同時(shí)掃描探針、被加工工件與控制及反饋模塊之間的連接斷開。高倍光學(xué)顯微鏡可以對(duì)待焊接部位的大致區(qū)域進(jìn)行快速定位，也可對(duì)焊接過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。其主要部件包括放大物鏡、變倍模組和C⑶攝像頭。整個(gè)高倍顯微鏡以一定的角度傾斜放置，以便同時(shí)觀察到掃描探針針尖和微納米結(jié)構(gòu)中的被焊接部分，其整體可以沿XYZ空間三個(gè)方向移動(dòng)。根據(jù)不同的放大需求，放大物鏡一般可以選取1(T100倍的放大倍數(shù)。變倍模組的放大倍數(shù)可調(diào)，并且兩端可以各自附加一個(gè)透鏡以增加額外的放大倍數(shù)。以一個(gè)I :4變倍模組為例，當(dāng)上下兩端各附加一個(gè)75mm焦距和15mm焦距的透鏡后，整個(gè)變倍模組的放大倍數(shù)為5 20倍可調(diào)。高倍光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)為放大物鏡放大倍數(shù)與變倍模組放大倍數(shù)的乘積，可達(dá)10001500倍之間。經(jīng)放大物鏡和變倍模組兩級(jí)放大后的圖像由CCD攝像頭成像后顯示，用以觀察掃描探針針尖和被加工工件表面的相對(duì)位置， 也可以對(duì)焊接過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。掃描探針顯微鏡主要用于對(duì)待焊接部位的掃描成像和精確定位，其探針也可用作焊接模式下的一個(gè)電極。當(dāng)用于精確定位時(shí)，掃描探針、被加工工件同掃描探針顯微鏡控制及反饋模塊相連；而當(dāng)用于焊接模式時(shí)，掃描探針、被加工工件同焊接控制電源相連。整個(gè)裝置在兩種不同模式時(shí)的電路與控制連線相互獨(dú)立、互不影響，并且兩種模式之間可以迅速切換。焊接過程通過掃描探針和被加工工件之間接觸導(dǎo)電產(chǎn)生的焦耳熱量實(shí)現(xiàn)。根據(jù)電阻焊接的特點(diǎn)，掃描探針和被加工物體表面必須具有一定的導(dǎo)電性。在焊接模式下，兩者分別與焊接控制電源的正負(fù)兩級(jí)相連。該電源可以在恒電壓、恒電流或恒功率模式下工作，并實(shí)時(shí)反饋焊接時(shí)候的電壓和電流值。其工作電壓在(TlOV之間可控，電流在OlOOmA之間可控，電流和電壓最小有效控制時(shí)間為5ns?？刂坪附訒r(shí)候的電壓、電流、功率以及焊接時(shí)間，可以有效的控制焊接區(qū)域的大小。該裝置中的掃描探針可以是單根探針，或者是多根探針。用于掃描成像定位和電阻點(diǎn)焊兩種模式下的探針可以是同種材料或者是不同材料。用于電阻點(diǎn)焊時(shí)的探針材料為熔點(diǎn)相對(duì)較高的金屬或合金，比如鎢。本發(fā)明提出納米尺度的電阻點(diǎn)焊方法，包含以下步驟
第一步，設(shè)定高倍光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)，一般為1000倍左右，并以其為輔助，快速地將被加工工件待焊接部位的大致區(qū)域進(jìn)行定位，并將該區(qū)域置于掃描探針的下方。此時(shí)，被加工工件固定于載物臺(tái)上。第二步，斷開焊接控制電源同掃描探針、被加工工件的連接，切換到掃描探針顯微鏡的控制及反饋模塊同掃描探針、被加工工件的連接狀態(tài)。第三步，利用掃描探針顯微鏡掃描成像功能對(duì)被加工工件的待焊接部位精確定位，并將掃描探針的針尖移至剛好與待焊接部位接觸的位置。第四步，保持掃描探針與待焊接部位的接觸狀態(tài)，并迅速斷開兩者與掃描探針顯微鏡的控制及反饋模塊的連接，然后切換到與焊接控制電源的連接狀態(tài)，實(shí)施電阻點(diǎn)焊。第五步，重復(fù)第二步到第四步的的過程，進(jìn)行下一個(gè)焊點(diǎn)的焊接，直至完成全部焊接。上述第四步中，迅速斷開兩者與掃描探針顯微鏡的控制及反饋模塊的連接并切換到與焊接控制電源的連接狀態(tài)的時(shí)間可以是Hs。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明提出的納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置和方法，利用掃描探針顯微鏡的掃描探針針尖的可控放電進(jìn)行納米尺度的焊接。焊接部位的尺寸可以通過調(diào)節(jié)焊接時(shí)候的電流、電壓及其時(shí)間進(jìn)行控制。本裝置和方法利用納米范圍內(nèi)的焦耳熱能，對(duì)微納米器件中三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的連接部位進(jìn)行熔化并達(dá)到冶金結(jié)合的目的，也可用于對(duì)微納米結(jié)構(gòu)中的損壞部位進(jìn)行局部修復(fù)。本裝置和方法無(wú)須在高潔凈環(huán)境中操作，操作簡(jiǎn)單， 成本低廉，適用于所有導(dǎo)電材料或者表面導(dǎo)電的納米結(jié)構(gòu)的部件的焊接制造或者修復(fù)，對(duì)于新型微納米器件的設(shè)計(jì)和制造具有重要意義。


圖I為納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置原理圖。圖2為微納米結(jié)構(gòu)中懸臂梁電阻點(diǎn)焊示意圖。上述兩圖中1為XYZ方向動(dòng)作模塊，2為掃描探針，3為CXD攝像頭，4為變倍模組，5為放大物鏡，6為被加工工件，7為載物臺(tái)，8為掃描探針顯微鏡的控制及反饋連線，9為掃描探針顯微鏡的控制及反饋模塊，10為焊接控制電源，11為焊接連線，12為微納米懸臂
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具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體的實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。圖I給出了納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置原理圖。根據(jù)圖1，納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置由掃描探針2、(XD攝像頭3、變倍模組4、放大物鏡5、掃描探針顯微鏡的控制及反饋連線
8、掃描探針顯微鏡的控制和反饋模塊9、焊接控制電源10和焊接電源導(dǎo)線11組成。XYZ方向動(dòng)作模塊I移動(dòng)掃描探針2，被加工工件6固定在載物臺(tái)7上。圖2給出了一個(gè)微納米架構(gòu)中懸臂梁點(diǎn)焊的示例。根據(jù)圖2所示，被加工工件6 為具有一定納米結(jié)構(gòu)突起的硅基底，其表層均勻鍍有IOOnm金薄膜。微納米懸臂梁12的材料也為金，焊接目的是要將微納米懸臂梁12熔接在突起的硅基底上。掃描探針2的材料為金屬鎢。高倍光學(xué)顯微鏡的放大物鏡5為50x倍放大。變倍模組4具有四倍變倍功能，其附加的兩塊透鏡分別為75mm和15mm。因此變倍模組4的放大倍數(shù)在5 20倍之間可調(diào)，光學(xué)顯微鏡的最終放大倍數(shù)為25(Tl000倍可調(diào)。本實(shí)施例中，進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，首先調(diào)節(jié)光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)到1000倍，并用其找到被加工工件6中需要焊接的大致區(qū)域，將該區(qū)域移至掃描探針2的下方。此時(shí)，被加工工件6固定在載物臺(tái)7上。然后斷開焊接控制電源10同掃描探針2、被加工工件6的連接，切換到掃描探針顯微鏡控制及反饋模塊9同掃描探針2、被加工工件6的連接狀態(tài)。開啟掃描成像模式，對(duì)待焊部位進(jìn)行精確定位，并將掃描探針2的針尖移至剛好與待焊接部位接觸的位置。此時(shí)立刻斷開掃描探針2、待焊接部位與掃描探針顯微鏡的控制及反饋模塊9的連接，然后切換到與焊接控制電源10的連接狀態(tài)，實(shí)施電阻點(diǎn)焊。焊接采用恒電流模式，電流20mA，焊接時(shí)間5s。焊接完成后將掃描探針2、被加工工件6切換回與掃描探針顯微鏡的控制及反饋模塊9相連的狀態(tài)，并將掃描探針2升高至I微米左右的相對(duì)高度，等待移動(dòng)到下一個(gè)焊點(diǎn)的指令以進(jìn)行下一次點(diǎn)焊操作。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，但實(shí)施例和附圖并不是用來限定本發(fā)明的。在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，所做的任何等效變化或潤(rùn)飾，同樣屬于本發(fā)明之保護(hù)范圍。因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本申請(qǐng)的權(quán)利要求所界定的內(nèi)容為標(biāo)準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置，其特征在于包括高倍光學(xué)顯微鏡、掃描探針顯微鏡、焊接控制電源以及焊接連線，其中，所述高倍光學(xué)顯微鏡用于對(duì)被加工工件的待焊接部位的初步定位和對(duì)焊接過程的實(shí)時(shí)觀察；所述焊接控制電源用于提供焊接時(shí)所需電源；所述掃描探針顯微鏡用于對(duì)被加工工件待焊接部位的精確定位和焊接，包括可導(dǎo)電的掃描探針、控制及反饋連線、控制及反饋模塊；掃描探針用于精確定位時(shí)，掃描探針、被加工工件分別通過控制及反饋連線與控制及反饋模塊相連接，同時(shí)掃描探針、被加工工件與焊接控制電源之間的連接斷開；掃描探針用于焊接時(shí)，掃描探針、被加工工件分別通過焊接連線連接到焊接控制電源的正負(fù)兩極，掃描探針與被加工工件的待焊接部位相接觸，同時(shí)掃描探針、被加工工件與控制及反饋模塊之間的連接斷開。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置，其特征在于所述焊接控制電源可以工作在恒電壓或恒電流或恒功率模式下，并能實(shí)時(shí)反饋焊接時(shí)的電壓和電流值，其工作電壓在(TlOV之間，電流在(TlOOmA之間，電流和電壓最小有效控制時(shí)間為5ns。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置，其特征在于所述掃描探針可以為單根也可以為多根。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置，其特征在于所述掃描探針由鎢制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4任一所述的納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置，其特征在于所述高倍光學(xué)顯微鏡包括放大物鏡、變倍模組和CXD攝像頭，放大物鏡通過變倍模組與CXD攝像頭連接，變倍模組的放大倍數(shù)可調(diào)節(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置，其特征在于所述放大物鏡的放大倍數(shù)在I (Ti 00倍之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置，其特征在于所述變倍模組的上下兩端還各有一個(gè)透鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置，其特征在于所述高倍光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)在100(Γ1500倍之間可調(diào)。
9.一種采用權(quán)利要求I至8任一所述的納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置進(jìn)行納米尺度的電阻點(diǎn)焊方法，包含以下步驟第一步，用高倍光學(xué)顯微鏡對(duì)被加工工件的待焊接部位進(jìn)行初步定位，并將被加工工件的待焊接部位區(qū)域置于掃描探針的下方；第二步，斷開焊接控制電源同掃描探針、被加工工件的連接，切換到掃描探針顯微鏡的控制及反饋模塊同掃描探針、被加工工件的連接狀態(tài)；第三步，利用掃描探針顯微鏡掃描成像功能對(duì)被加工工件的待焊接部位進(jìn)行精確定位，并將掃描探針的針尖移至被加工工件的待焊接部位位置并接觸；第四步，保持掃描探針與被加工工件的待焊接部位的接觸狀態(tài)，并斷開掃描探針、被加工工件與掃描探針顯微鏡的控制及反饋模塊的連接，然后切換到與焊接控制電源的連接狀態(tài)，進(jìn)行電阻點(diǎn)焊；第五步，重復(fù)第二步到第四步的的過程，進(jìn)行下一個(gè)焊點(diǎn)的焊接，直至完成全部焊接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的納米尺度的電阻點(diǎn)焊方法，其特征在于第四步中，斷開掃描探針、被加工工件與掃描探針顯微鏡的控制及反饋模塊的連接并切換到與焊接控制電源的連接狀態(tài)的時(shí)間為Hs。
全文摘要
本發(fā)明屬于焊接和材料納米加工領(lǐng)域，具體涉及一種納米尺度的電阻點(diǎn)焊裝置和方法。該裝置包括高倍光學(xué)顯微鏡、掃描探針顯微鏡、焊接控制電源以及焊接連線，其中高倍光學(xué)顯微鏡用于對(duì)被加工工件的待焊接部位的初步定位和對(duì)焊接過程的實(shí)時(shí)觀察，焊接控制電源用于提供焊接時(shí)所需電源；掃描探針顯微鏡用于對(duì)被加工工件待焊接部位的精確定位和焊接，包括可導(dǎo)電的掃描探針、控制及反饋連線、控制及反饋模塊；掃描探針能夠在精確定位和焊接兩種模式下工作，并分別與控制及反饋模塊和焊接控制電源連接。本裝置和方法能夠?qū)崿F(xiàn)納米尺度的電阻點(diǎn)焊，對(duì)于新型微納米器件的設(shè)計(jì)和制造具有重要意義。
文檔編號(hào)B82B3/00GK102581460SQ201210060509
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者王建, 陳希章 申請(qǐng)人:常州薩恩斯機(jī)電設(shè)備有限公司