利用三棱錐微探針軌跡運(yùn)動加工微結(jié)構(gòu)的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微納米結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域，涉及一種基于AFM探針相同刻劃方向機(jī)械加工復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微小型化技術(shù)很大程度上推動了微納米領(lǐng)域的研宄，而且廣泛應(yīng)用于很多工業(yè)領(lǐng)域，如信息技術(shù)、醫(yī)療、生物化學(xué)以及汽車等等。為滿足微小零部件和微小結(jié)構(gòu)所需的尺寸要求，相應(yīng)的微納米加工技術(shù)發(fā)展迅速。目前，微納米加工技術(shù)主要包括:微切削加工技術(shù)、微電火花加工技術(shù)以及刻蝕加工技術(shù)。其中微切削加工技術(shù)因其具有加工系統(tǒng)靈活性高，加工材料范圍廣等優(yōu)點(diǎn)而被學(xué)者們廣泛研宄。
[0003]在微切削加工技術(shù)中微銑削加工最為適合加工三維微結(jié)構(gòu)，但隨著加工結(jié)構(gòu)的尺寸逐漸減小，微銑削只能通過減小刀具的尺寸來滿足要求。目前，有學(xué)者通過砂輪磨削可加工出直徑50微米左右的微銑刀，采用聚焦離子束能夠加工最小20微米直徑的微銑刀。由于銑削是刀具的回轉(zhuǎn)加工，因此刀具的直徑減小使得為達(dá)到足夠的切削線速度，主軸的轉(zhuǎn)速就需要非常高，這對主軸的動態(tài)特性要求非常高，增加了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成本。而且微銑刀直徑尺寸的減小降低了刀具的強(qiáng)度，使得在加工過程中刀具破損的概率增加。
[0004]原子力顯微鏡(AFM)是依靠針尖與樣品間的作用力來進(jìn)行工作的，在力小的時候用來檢測，而在力大的時候可以用來加工。由于AFM的探針很小(針尖圓弧半徑大約幾十納米)，施加的力也很小，故可以加工出更小的結(jié)構(gòu)。通過控制微懸臂的彎曲程度來控制針尖-樣品間的加工力，可以在工件表面加工得到準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)。但由于其依靠力控制加工的特點(diǎn)，使得加工結(jié)構(gòu)的深度不可確定；而且受探針微懸臂彎曲程度的限制，可施加的作用力變化范圍也不是很大。
[0005]目前，采用機(jī)械去除的方法加工微結(jié)構(gòu)的技術(shù)手段中，能加工出微結(jié)構(gòu)的尺寸在幾微米到一百微米，尚且沒有一種較為成熟的加工技術(shù)。減小微銑削的加工尺寸，或者增大基于原子力顯微鏡加工的加工尺寸都會引入新的技術(shù)難題，并且增加了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成本。因此，一種新的加工方法亟需提出來填補(bǔ)這一加工空缺。此外，在利用微銑削加工具有延展性良好的金屬樣件時，往往會在加工結(jié)構(gòu)的邊緣產(chǎn)生毛刺，這直接影響工件的加工精度以及表面質(zhì)量，而去毛刺過程不但復(fù)雜又會降低加工效率。因此，對于減少毛刺在加工過程中的產(chǎn)生的研宄是十分有意義的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種利用三棱錐微探針軌跡運(yùn)動加工微結(jié)構(gòu)的裝置及方法，實(shí)現(xiàn)在金屬樣品表面上加工出尺寸變化在十微米到一百微米范圍內(nèi)的微結(jié)構(gòu)，并且微結(jié)構(gòu)的邊緣有較少的毛刺生成。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
一種利用三棱錐微探針軌跡運(yùn)動加工微結(jié)構(gòu)的裝置，包括支座、z向粗動定位臺、三維壓電位移臺、三棱錐微探針、光學(xué)顯微鏡、二維調(diào)平臺、二維工作臺，其中:二維工作臺固定在支座上，二維調(diào)平臺固定在二維工作臺，三棱錐微探針位于二維調(diào)平臺上方并與三維壓電位移臺剛性連接，三維壓電位移臺與Z向粗動定位臺連接，光學(xué)顯微鏡固定在支座上，用于觀測三棱錐微探針與金屬樣品間的距離。
[0008]一種利用上述裝置加工微結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟:
步驟一、三維壓電位移臺帶動三棱錐探針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動:
選取三維壓電位移臺作為加工的驅(qū)動元件，將三棱錐探針通過轉(zhuǎn)接件剛性連接在三維壓電位移臺上，組成刀具運(yùn)動模塊。通過對三維壓電位移臺的水平軸(X軸和I軸)施加兩路異相的正弦激勵信號，使得每個水平軸做往復(fù)地簡諧運(yùn)動，而兩個軸的合運(yùn)動使得三維壓電位移臺在水平面內(nèi)做圓周公轉(zhuǎn)，從而帶動三棱錐探針運(yùn)動。通過對三維壓電位移臺的豎直軸(Z軸)施加階躍信號，能夠使得三維壓電位移臺在豎直方向上來回伸縮，這不但可以帶動三棱錐探針逼近金屬樣品表面，還可以改變加工的微結(jié)構(gòu)的加工深度。三棱錐探針的圓周半徑為5-10 μ m，旋轉(zhuǎn)的頻率10-20HZ。
[0009]步驟二、三棱錐探針與金屬樣品表面的接觸:
采用z向粗動位移臺帶動刀具運(yùn)動模塊向金屬樣品表面粗逼近，通過光學(xué)顯微鏡觀察三棱錐探針與金屬樣品間的距離，當(dāng)三棱錐探針-金屬樣品間的距離達(dá)到三維壓電位移臺的數(shù)值伸縮范圍內(nèi)時，改用三維壓電位移臺的z軸伸長帶動三棱錐探針微逼近金屬樣品表面，從而完成三棱錐探針與金屬樣品的接觸。
[0010]步驟三、三棱錐探針朝向與二維工作臺進(jìn)給方向的確定:
由于三棱錐探針的幾何形狀是非對稱的，這就使得在其繞某一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的過程中，沿不同的進(jìn)給方向，運(yùn)動的軌跡是不一樣的，從而造成材料不同的去除方式，影響著加工的結(jié)果。因此，在加工前需要對三棱錐探針相對于二維工作臺運(yùn)動方向的朝向進(jìn)行確定。用三棱錐探針對金屬樣品進(jìn)行壓印，在金屬樣品表面留下三角形的壓痕，隨后二維工作臺移動一定的距離，用同樣的方式在金屬樣品表面做壓印。在光學(xué)顯微鏡下觀察兩個位置的壓痕，確定三棱錐探針相對于二維工作臺運(yùn)動方向的朝向。
[0011]步驟四、金屬樣品表面的調(diào)平:
由于是剛性加工，為保證加工的微結(jié)構(gòu)深度一致，故需要消除金屬樣品表面的傾斜。通過記錄三棱錐探針在不同位置與金屬樣品表面接觸后三維壓電位移臺的伸縮量，檢測金屬樣品表面的傾斜性。采用二維調(diào)平臺沿水平二維方向調(diào)整金屬樣品表面，使得在不同位置三棱錐探針-金屬樣品接觸時，三維壓電位移臺的伸縮量一致，從而保證了金屬樣品表面的水平。
[0012]步驟五、配合二維工作臺進(jìn)給運(yùn)動加工微結(jié)構(gòu):
待旋轉(zhuǎn)地三棱錐探針與金屬樣品接觸后，讓三維壓電位移臺向下伸縮來達(dá)到預(yù)定的加工深度，此時控制二維工作臺帶動金屬樣品運(yùn)動開始加工微結(jié)構(gòu)。二維工作臺沿一個方向運(yùn)動時，加工出的是微通道結(jié)構(gòu)，微通道的寬為探針的旋轉(zhuǎn)半徑。當(dāng)三棱錐探針的朝向和旋轉(zhuǎn)方向確定以后，由于三棱錐的非對稱幾何形狀二維工作臺沿X+，X-，y+，y-四個方向分別進(jìn)給，可獲得四種不同輪廓的微通道。二維工作臺聯(lián)合運(yùn)動時，可加工出平面結(jié)構(gòu)，同時，增加三棱錐探針z向的位移可加工得到帶有深度變化的微結(jié)構(gòu)。
[0013]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn): 1、能夠加工出尺寸變化范圍在幾微米到上百微米內(nèi)的微結(jié)構(gòu)，采用位移控制加工故加工深度可控。
[0014]2、通過采用幾何非對稱的三棱錐探針進(jìn)行圓周公轉(zhuǎn)軌跡運(yùn)動，可以使得在每一次的旋轉(zhuǎn)切削中刀具的前角不斷變化，控制確定的進(jìn)給方向進(jìn)行加工，能夠在金屬樣品表面加工得到毛刺較小的微結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明所述的基于微探針圓周軌跡運(yùn)動進(jìn)行機(jī)械加工的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明所述三棱錐針尖加工的圓周軌跡以及按四種不同方向進(jìn)給的示意圖；
圖3為本發(fā)明加工三維微結(jié)構(gòu)時工作臺進(jìn)給軌跡的示意圖；
圖中:l-z向粗動定位臺、2-三維壓電位移臺、3-三棱錐微探針、4-光學(xué)顯微鏡、5-金屬樣品，6- 二維調(diào)平臺、7- 二維工作臺，8-三角形壓痕的某一條邊，9-三棱錐針尖最外輪廓覆蓋的軌跡(即加工軌跡)，10-針尖尖端頂點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0017]如圖1所示，本發(fā)明提供的基于微探針軌跡運(yùn)動的加工裝置包括支座、z向粗動定位臺1、三維壓電位移臺2、三棱錐微探針3、光學(xué)顯微鏡4、二維調(diào)平臺6、二維工作臺7，其中:二維工作臺7由X向移動臺和y向移動臺垂直安裝組成，X向移動臺固定在支座上，二維調(diào)平臺6固定在y向移動臺上，三棱錐微探針3位于二維調(diào)平臺6上方并與三維壓電位移臺2剛性連接，三維壓電位移臺2與z向粗動定位臺I連接，光學(xué)顯微鏡4固定在支座上，用于觀測三棱錐微探針3與金屬樣品5間的距離。
[0018]利用上述加工裝置進(jìn)行微結(jié)構(gòu)加工的方法，具體步驟如下:
步驟一、針尖逼近樣品表面:
選取三棱錐針尖用來做壓印的探針，針尖的面角為35°，三條棱邊的刃口半徑小于40nm。將三棱錐微探針3與三維壓電位移臺2剛性連接，并一起與z向粗動定位臺I相連接，三維壓電位移臺2三個方向閉環(huán)行程為100 μ m，分辨率為7nm，重復(fù)定位精度為30nm?？刂苲向粗動定位臺I帶動三維壓電位移臺2向下移動逼近金屬樣品5表面，z向粗動定位臺I的行程100mm，重復(fù)定位精度5 μπι。通過光學(xué)顯微鏡4觀測三棱錐微探針3與金屬樣品5間的距離，當(dāng)兩者間的距離在三維壓電位移臺2的運(yùn)動行程內(nèi)后，停止ζ向粗動定位臺I向下移動，改用三維壓電位移臺2以10nm的位移量逐步向下移動，同時二維工作臺7沿一個方向移動，當(dāng)通過光學(xué)顯微鏡4看