CN101543901A - 基于聚焦离子束技术的微刀具制备方法 - Google Patents

基于聚焦离子束技术的微刀具制备方法 Download PDF

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房丰洲
张少婧
徐宗伟
胡小唐
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Tianjin University
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Abstract

本发明属于复杂微纳结构和器件的微加工技术领域，涉及一种基于聚焦离子束(Focused ion beam，FIB)技术的微刀具加工方法，该方法是将FIB技术的应用扩展到微型刀具的加工中，在设计组建的聚焦离子束系统与高精度的旋转器相结合的实验平台上，利用聚焦离子束的铣削功能对不同材料的刀具毛坯进行复杂三维结构的微刀具加工。通过设定恰当的聚焦离子束加工参数以及精确控制刀具毛坯与离子束入射方向之间的方位，输入不同的灰度图像精确控制FIB铣削，能够加工各种复杂几何形状的微刀具。与其他传统的刀具加工方法相比，本发明提出的方法具有精度高、可重复性强、应力应变小、可在线观测、适用于各种材料和几何形状等优点。

Description

基于聚焦离子束技术的微刀具制备方法
技术领域
本发明涉及一种利用聚焦离子束铣削技术加工微刀具的方法，该方法加工的微刀具可用于超精密加工和微细加工等领域中的复杂微纳结构和器件的微加工。
背景技术
随着微小型化系统的飞速发展，对一些微小型零件及部件等的制造都需要通过微刀具来加工实现，因此，微刀具的制造加工已成为发展微小型系统、精密系统的关键。目前，微米尺度的微刀具主要通过精密磨削、抛光、线电极放电磨削(WEDG)等技术来加工，本发明提出一种基于聚焦离子束技术加工微刀具的新方法，可快速精确地加工各种材料的微刀具，刀具的特征尺寸范围为1～100μm，刃口圆弧半径可小于20nm。与其他传统的刀具加工方法相比，此方法具有精度高，可重复性强，在线观测，适用于各种材料和几何形状等优点。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服了传统加工方法很难实现纳米级刃口半径和复杂刀具轮廓加工的缺点，利用聚焦离子束技术的铣削功能，获得了具有精确的特征尺寸，纳米级的刃口圆弧半径以及复杂几何形状的微刀具。
本发明的技术解决方案是：基于聚焦离子束技术的微刀具加工方法，可通过以下步骤实现：
(1)首先将经过磨削抛光的刀具毛坯安装在FIB系统和高精度旋转器相结合的实验平台上；
(2)将刀具毛坯末端的位置调整到离子束的工作距离，然后旋转样品台，使离子束的入射方向垂直被加工的面；
(3)设定恰当的离子束参数，在刀具毛坯的圆柱面上选取需要加工的区域，通过FIB铣削获得刀具的前刀面；
(4)将刀具顺时针旋转90度，从刀具的背面去除柱体两侧多余的部分，用来获得刀具的两个侧刀面；
(5)再次调整样品台，使刀具背面的法线方向与离子束成一定的角度，将预先设计好的.bmp图形文件通过计算机输入到系统中，进行FIB的铣削加工，获得具有恰当后角的后刀面，最终获得了不同横截面形状的微刀具，如矩形，圆弧形，三角形，锯齿形等。
上述的聚焦离子束系统所使用的是镓离子源或铍离子源，所用的纳米旋转器由精密马达驱动，可实现360°连续旋转，旋转精度小于1度，纳米旋转器固定在聚焦离子束系统的样品台上；刀具毛坯的选择取决于所需加工的刀具尺寸，以减少材料去除量、节约成本为准则；刀具的材料可以是高速钢，硬质合金，立方氮化硼，聚晶金刚石，单晶金刚石等任何刀具材料；离子束的工作距离为19.5mm；为了获得锐利的切削边缘及恰当的后角，刀具相对离子束的位置，以及FIB铣削刀具不同面的顺序具有关键的作用；FIB铣削加工微刀具各个刀面的顺序依次是前刀面、侧刀面、后刀面；如果侧刀面参与切削，在铣削每个侧面时，需要通过调整被加工面与离子束间的相对位置，使被铣削的两个侧刀面分别有5-10°的侧后角；刀具的后角为5-10°；不同形状刀具的加工可通过设计相应的灰度图像来实现。
与传统加工方法相比，本发明主要具有的优点：可精确控制刀具的特征尺寸；被铣削刀具的几何形状不受限制；可形成尖锐的切削边缘，获得很小的刀具刃口圆弧半径；材料是在原子量级被去除的，因此在加工时不会损伤刀具，避免了刀具的断裂破损；可在刀具成型过程中进行实时观测。
附图说明
图1基于聚焦离子束的微刀具加工方法的基本原理示意图。
图2基于聚焦离子束的微刀具加工方法的基本步骤示意图，其中，图2-1(a)前刀面离子束铣削的示意图，深色部分表示要被去除的部分，箭头表示离子束的入射方向；图2-2(b)是前刀面加工后的刀具立体图；图2-2(a)侧刀面离子束铣削的示意图，深色部分表示要被去除的部分，箭头表示离子束的入射方向；图2-2(b)是前刀面和侧刀面加工后的刀具立体图；图2-3(a)为后刀面离子束铣削的示意图，深色部分表示要被去除的部分，箭头表示离子束的入射方向；图2-3(b)是经过前刀面、侧刀面、后刀面加工后的刀具立体图；图2-4是加工完成的刀具的立体图。
图3基于聚焦离子束加工圆弧形刀具的流程图。
具体实施方式
实施例1：
通过本发明方法基于聚焦离子束技术加工的圆弧形微刀具，加工流程图见图3，具体加工步骤如下：
(1)选取末端直径约为50μm的刀具毛坯3，材料为硬质合金，安装在FIB/SEM双束系统1和高精度的纳米旋转器5相结合的实验平台上(参见图1)；
(2)将刀具毛坯3末端的位置调整到聚焦离子束2的工作距离19.5mm处，然后旋转样品台4，使离子束的入射方向垂直被加工的面；
(3)设定离子束的能量为30KeV，束流为3nA，在刀具毛坯的圆柱面上选取需要加工的区域，通过FIB铣削获得刀具的前刀面，(参见图2-1，其中图2-1(a)为离子束铣削的示意图，深色部分表示要被去除的部分，箭头表示离子束的入射方向；图2-2(b)是加工后的刀具立体图)；
(4)将刀具顺时针旋转90度，去除柱体两侧多余的部分用来获得刀具的两个侧刀面(参见图2-2(a)和(b)，图中，深色部分表示要被去除的部分，箭头表示离子束的入射方向)，确定了刀具的宽度为19.52μm；
(5)倾斜样品台4，使刀具背面的法线方向与离子束的夹角为7°，将圆弧形截面所对应的.bmp图形文件通过计算机输入到系统中，设定上述相同的离子束参数进行铣削加工，获得了具有7.2°后角，刃口圆弧半径小于20nm的圆弧形微刀具。(参见图2-3(a)和(b)以及图2-4，图中，深色部分表示要被去除的部分，箭头表示离子束的入射方向)
实施例2：
通过本发明方法基于聚焦离子束技术加工的矩形微刀具，具体加工步骤如下：
(1)选取末端直径小于约为60μm的刀具毛坯3，材料为聚晶金刚石(PCD)，安装在FIB/SEM双束系统1和高精度的纳米旋转器5相结合的实验平台上(参见图1)；
(2)将刀具毛坯3末端的位置调整到聚焦离子束2的工作距离19.5mm处，然后旋转样品台4，使离子束的入射方向垂直被加工的面；
(3)设定离子束的能量为30KeV，束流为7nA，在刀具毛坯的圆柱面上选取需要加工的区域，通过FIB铣削获得刀具的前刀面；
(4)将刀具顺时针旋转90度，并调整样品台的位置，使被加工的两个侧面分别与离子束成7°的夹角，获得刀具的两个侧刀面，确定了刀具的宽度为31.34μm；
(5)倾斜样品台4，使刀具背面的法线方向与离子束的夹角为7°，设定上述相同的离子束参数并选定待加工的矩形区域，进行铣削加工，获得了具有7.2°后角，刃口圆弧半径小于20nm的矩形微刀具。

Claims (9)

1.一种基于聚焦离子束技术的微刀具制备方法，通过以下步骤实现：
(1)将经过磨削抛光的刀具毛坯固定在旋转器平台上；
(2)将刀具毛坯末端的位置调整到聚焦离子束系统的工作距离，然后调整旋转器平台，使离子束的入射方向垂直被加工的面；
(3)设定离子束参数，在刀具毛坯的圆柱面上选取需要加工的区域，通过聚焦离子束铣削获得刀具的前刀面；
(4)将刀具顺时针旋转90度，再通过聚焦离子束铣削，去除柱体两侧多余的部分用来获得刀具的两个侧刀面；
(5)再次调整旋转器平台，使刀具背面的法线方向与离子束成所设定的后角值，将预先设计好的.bmp图形文件通过计算机输入到系统中，进行聚焦离子束的铣削加工，获得具有恰当后角的后刀面和微刀具刃口半径。
2.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束技术的微刀具加工方法，其特征在于，所述的离子束是镓离子束或铍离子束。
3.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束技术的微刀具加工方法，其特征在于，所述的聚焦离子束系统为FIB单束系统或FIB/SEM双束系统。
4.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束技术的微刀具加工方法，其特征在于，步骤(1)中的旋转器由精密马达驱动实现360°连续旋转，旋转精度不低于1度。
5.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束技术的微刀具加工方法，其特征在于，FIB铣削微刀具各个刀面的顺序为：先加工前刀面，然后是侧刀面，最后是后刀面。
6.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束技术的微刀具加工方法，其特征在于，刀具毛坯的材料为高速钢、硬质合金、立方氮化硼、聚晶金刚石或单晶金刚石。
7.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束技术的微刀具加工方法，其特征在于，在步骤(2)中的工作距离取19.5mm。
8.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束技术的微刀具加工方法，其特征在于，所述步骤(4)中，如果侧刀面参与切削，在铣削每个侧面时，需要分别通过调整被加工面与离子束间的相对位置，使被铣削的两个侧刀面分别有5-10°的侧后角。
9.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束技术的微刀具加工方法，其特征在于，所述步骤(5)中，刀具的后角为5-10°。
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