CN102583229A - 面向微结构制造具有力反馈控制的微探针刻划加工方法 - Google Patents

Abstract

面向微结构制造具有力反馈控制的微探针刻划加工方法。本发明属于微纳结构加工技术领域。本发明可以实现低成本、高精度、微米尺度沟槽等复杂微结构的加工。方法是：先将工件放置于X-Y向精密工作台上，根据所设定的力初值，简称设定值，使微探针刀具自动逼近工件表面并维持一个恒定的力F，该恒定的力F的初值为5-20mN，当微探针刀具与工件表面接触后，开始刻划加工，启动力闭环控制模块，Z向微动工作台上下移动，实现垂直力的实时闭环控制，X-Y向精密工作台带动工件做精密移动，实现微沟槽结构的加工；微沟槽结构加工好后，力闭环控制结束，微探针刀具由Z向粗动工作台带动向上移动脱离工件表面，加工结束。本发明用于加工工件的微沟槽结构。

Description

面向微结构制造具有力反馈控制的微探针刻划加工方法

技术领域

本发明属于微纳结构加工技术领域，特别是一种具有力反馈控制的微探针刻划加工方法。

背景技术

基于机械去除的加工技术由于具有加工设备简单、可以加工复杂三维乃至曲面微结构、低成本加工等特点而得到广泛研究。例如采用超精密金刚石车削加工技术已经可以进行复杂表面形状精密结构的加工。然而随着加工结构减小到微米尺度，受到刀具尺寸以及机床部件制造精度的限制，采用传统超精密机床很难加工出高精度的微结构。与此同时，基于原子力显微镜微探针的纳米机械刻划技术被广泛的用在纳米结构的制造领域。两种加工技术采用相同的机械去除原理，但是采用AFM微探针的加工精度和加工尺度可以容易以及经济的达到纳米量级，并且已经实现三维纳米结构的加工制作。两种方法的根本差别在于：传统的切削加工系统的特点为刀具是刚性的、依靠刀具与工件的相互运动精度保证加工结构的精度和尺寸。因此随着机床精度的进一步提高，机床的成本也急剧提高，并且机床精度的提高很大程度上还受到现有制造、装配的技术水平的限制。因此人们也一直在探寻新的可以进一步提高加工精度的方法。另外一方面，基于AFM微探针的纳米机械加工是依靠一个柔软的微悬臂梁带动探针接触工件表面，依靠微悬臂的弯曲施加在表面上一个恒定力，保证在机械刻划过程中AFM微探针能够实时跟踪工件表面。对于AFM系统来讲，工件表面为零点参照坐标系。在这样的系统中，其装置误差对加工过程的影响较小。因此，在实现采用传统机床很难实现表面上纳米尺度沟槽和复杂微结构的加工，尤其是在倾斜的表面上或者曲面上加工微结构具有很大的优势。然而目前对于采用AFM系统进行纳米机械刻划加工存在两个问题：（1）加工范围小、加工效率较低。目前AFM系统适合加工数十个微米尺度的结构，而当尺度扩展到毫米尺度时，由于探针的磨损、加工的速度等因素导致目前的这种技术的加工效率很低。（2）AFM微悬臂可以施加到表面上的最大载荷为数百微牛，加工结构的深度较小。目前不能够满足微光学、MEMS等领域广泛采用的微米尺度沟槽等复杂微结构的现实需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向微结构制造具有力反馈控制的微探针刻划加工方法，该加工方法可以实现低成本、高精度、微米尺度沟槽等复杂微结构的加工。

本发明的加工方法明显区别于传统的超精密加工设备，很容易实现表面逼近，实现工件表面零点定位。同时，在微力驱动下，通过精确控制作用力可以得到更高精度的微纳米加工能力。此外，本发明的加工方法还具备跟随工件表面的加工能力，方便实现曲面上的微结构加工。

实现上述目的的技术方案是：

面向微结构制造具有力反馈控制的微探针刻划加工方法，所述的加工方法由下述步骤实现：

步骤一：微探针刀具的自动逼近工件表面过程；

先将工件放置于X-Y向精密工作台上，根据所设定的力初值，简称设定值，使微探针刀具自动逼近工件表面并维持一个恒定的力F，该恒定的力F的初值为5-20mN，具体逼近工件表面过程如下：开始，Z向粗动工作台先向下移动的距离A=5-18μm，然后压电陶瓷驱动Z向微动工作台向下移动的距离B=6-20μm，在Z向微动工作台移动过程中检测力传感器的值，如果达到设定值，则认为微探针刀具与工件表面接触；如果没有达到设定值，则Z向微动工作台向上回至零位，之后，Z向粗动工作台向下继续移动5-18μm，重复上述过程，直至实现微探针刀具与工件表面的接触；执行过程中必须保证A<B，以保证在Z向粗动工作台向下移动A后，Z向微动工作台具有足够的空间B探测工件表面，A值越小，自动逼近过程越慢，A值越大，自动逼近过程越快，B根据A值确定，满足A<B即可；

步骤二：恒力条件下的刻划加工；

当微探针刀具与工件表面接触后，开始刻划加工，启动力闭环控制模块，Z向微动工作台上下移动，设置比例增益Kp参数范围为15000-50000、积分增益Ki参数范围为20000-40000，实现垂直力的实时闭环控制，垂直方向力的范围为15-500mN，同时，X-Y向精密工作台带动工件做精密移动，实现微沟槽结构的加工，加工的微沟槽长度为1-6mm，微沟槽深度为0.5-5μm，移动速度为0.01-0.1mm/s；

步骤三：加工完成退刀过程；

微沟槽结构加工好后，力闭环控制结束，微探针刀具由Z向粗动工作台带动以25mm/s的速度向上移动脱离工件表面，加工结束。

本发明的有益效果是：本发明的加工方法是在力闭环控制模块下进行加工的，垂直力为一恒定值，加工装置位置精度、工件本身形状精度以及安装精度误差均会消除，因此可在工件表面上加工出平行于工件表面的等深度的微沟槽。该加工方法不需要复杂昂贵的超精密加工机床系统，可以实现低成本、高精度、微米尺度沟槽等复杂微结构的加工。

附图说明

图1所示是闭环控制模块框图；

图2a所示是力开环加工沟槽结构示意图；

图2b所示是力闭环加工沟槽结构示意图；

图3所示是本发明的面向微结构制造具有力反馈控制的微探针刻划加工方法的流程框图；

图4所示是开环与闭环加工加工深度与刻划长度的关系曲线图，标号O指代的曲线为力开环状态下加工深度与刻划长度的关系曲线；标号C指代的曲线为力闭环状态下加工深度与刻划长度的关系曲线；

图5所示是具有力反馈控制的微探针刻划加工装置原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：一种面向微结构制造具有力反馈控制的微探针刻划加工方法，所述的加工方法由下述步骤实现：

步骤一：微探针刀具的自动逼近工件表面过程（这个过程的实现是通过检测微探针刀具1的Z向受到的力值，控制步进电机实现Z向粗动工作台2的粗进给和控制压电陶瓷驱动Z向微动工作台3的精密进给来达到所设定的力初值，从而实现微探针刀具1与工件4表面的初始接触）；

先将工件4放置于X-Y向精密工作台5上，根据所设定的力初值，简称设定值，使微探针刀具1自动逼近工件4表面并维持一个恒定的力F，该恒定的力F的初值为5-20mN，具体逼近工件4表面过程如下，参见图3：开始，Z向粗动工作台2先向下移动的距离A=5-18μm，然后压电陶瓷驱动Z向微动工作台3向下移动的距离B=6-20μm，在Z向微动工作台3移动过程中检测力传感器6的值，如果达到设定值，则认为微探针刀具1与工件4表面接触，如图5；如果没有达到设定值，则Z向微动工作台3向上回至零位，之后，Z向粗动工作台2向下继续移动5-18μm，重复上述过程，直至实现微探针刀具1与工件4表面的接触；执行过程中必须保证A<B，以保证在Z向粗动工作台2向下移动A后，Z向微动工作台3具有足够的空间B探测工件4表面。A值越小，自动逼近过程越慢，A值越大，自动逼近过程越快。B根据A值确定，满足A<B即可。

若A=18μm、B=20μm，可提高微探针刀具1逼近工件4表面的效率。

步骤二：恒力条件下的刻划加工（微探针刀具1和工件4表面接触后，按照需要的加工深度设定所需要的Z向力，力的实现是依靠压电陶瓷驱动Z向微动工作台3的精密移动，使微探针刀具1压入工件4的深度加深而产生）；

当微探针刀具1与工件4表面接触后，开始刻划加工，启动力闭环控制模块，Z向微动工作台3上下移动，设置比例增益Kp参数范围为15000-50000、积分增益Ki参数范围为20000-40000，实现垂直力的实时闭环控制，垂直方向力的范围为15-500mN，同时，X-Y向精密工作台5带动工件4做精密移动，实现微沟槽7结构的加工，加工的微沟槽7长度为1-6mm，微沟槽7深度为0.5-5μm，移动速度为0.01-0.1mm/s；

所述的力闭环是指在纳米刻划加工时保持微探针刀具1所受到的Z向力恒定的控制过程。这个过程不再需要Z向粗动工作台2的进给运动，而是仅通过Z向微动工作台3的上下移动保证微探针刀具1作用到工件4表面上垂直方向力的恒定。见图1所示，设定所述的垂直方向力为F₀，与测力传感器6获得的力信号F₁进行对比，差值作为控制器9的控制信号，通过采用PI控制算法8（公知的）及压电陶瓷驱动Z向微动工作台3作上下的调节运动，调节力传感器6的输出为目标值F₀，这个调节过程在刻划加工过程中始终调节，以保证在整个加工过程中Z向力的恒定，调整过程由UMAC控制单元10（美国Delta Tau公司的控制单元，UMAC是型号）实现。然而，对于PI控制算法8的参数要根据不同加工工件4材料的特点而设定，不同的工件4对应的PI控制算法8的各参数并不相同；

步骤三：加工完成退刀过程；

微沟槽7结构加工好后，力闭环控制结束，微探针刀具1由Z向粗动工作台2带动以25mm/s的速度向上移动脱离工件4表面，加工结束。

具体实施方式二：本实施方式提供的是一种具有力反馈控制的微探针刻划加工装置，见图5，该装置主要包括Z向支撑板11、支撑平台12、计算机13、

Z向粗动工作台2、Z向微动工作台3、力传感器6、微探针刀具1、X-Y向精密工作台5和UMAC控制单元10；其中：

X-Y向精密工作台5设置在支撑平台12上，工件4设置在X-Y向精密工作台5上，Z向支撑板11的下端固定在支撑平台12上； UMAC控制单元10发送两路模拟量信号，分别控制Z向粗动工作台2和Z向微动工作台3运动，计算机13和UMAC控制单元10之间的通讯依靠网线传输来实现，通过计算机控制软件发送命令驱动UMAC控制单元10动作。

①Z向粗动工作台2采用步进电机驱动滚珠丝杠带动沿Z向作粗动进给。行程为100mm，重复定位精度小于0.005mm，最大移动速度为25mm/s。

②Z向微动工作台3采用压电陶瓷驱动、电容传感器闭环的Z向微动工作台3。闭环行程为20 μm，闭环重复定位精度为4nm。

③测量刻划加工过程中微探针刀具1在Z向所受力的元件采用美国Transcell公司生产的BAB-5M型力传感器。该传感器量程为5kg。

④为了实现加工过程中力的闭环调节，采用UMAC控制单元10采集力传感器6的信号，然后根据误差驱动Z向微动工作台3作上下运动，以保证作用到微探针刀具1上的Z向力为一个定值。

⑤带动工件4水平方向移动的X-Y向精密工作台5采用德国PI公司生产的M-714.2HD型高精度微动工作台。该高精度微动工作台采用宏微驱动的方式实现毫米尺度范围运动、纳米精度定位。工作台的行程为7mm，重复定位精度为10nm，分辨率为2nm，最大移动速度为0.2mm/s，最大承受载荷为100N。

⑥微探针刀具1为三棱锥形状的金刚石探针，刀尖半径600nm，由哈尔滨工业大学精密工程研究所的机械研磨设备制备而成。

实施例1：设定恒定的力的初值为17mN，在聚合物聚碳酸酯（PC）材料工件表面加工，刻划长度为2000μm，刻划速度为0.02mm/s，每隔250μm测量其刻划深度，Kp=18000，Ki=36500，从图4中力开环状态下加工深度与刻划长度的关系曲线不难看出，加工微沟槽7的加工深度随着刻划长度的增加而逐渐减小；而从图4中力闭环状态下加工深度与刻划长度的关系曲线不难看出，虽然该关系曲线不完全是一条直线（实验误差范围内），但是没有随着刻划长度而增加的趋势，不再由于各种误差而产生较大变化，实验结果验证了本方法的可行性。

实施例2：本实施例的面向微结构制造具有力反馈控制的微探针刻划加工方法，采用的是力闭环模式下进行加工的，它与现有技术中采用开环状态下进行加工的优势在于：

力开环与闭环加工微米尺度沟槽（简称微沟槽）结构示意如下：如图2（a）所示，在开环状态下，受到加工装置位置精度、工件4本身形状精度以及安装精度的影响，加工的微沟槽7将会与表面不完全平行，设定加工的微沟槽7的初始端深度为h，设定加工的微沟槽7的终结端深度为h1，则有h<h1；而在力闭环模式下进行加工，垂直力为一恒定值，因此，上述的误差影响将会消除，在工件4表面上加工出平行于工件4表面的等深度h2的微沟槽7，如图2（b）所示。

Claims (1)

1.一种面向微结构制造具有力反馈控制的微探针刻划加工方法，其特征是：所述的加工方法由下述步骤实现：

步骤一：微探针刀具的自动逼近工件表面过程；

先将工件放置于X-Y向精密工作台上，根据所设定的力初值，简称设定值，使微探针刀具自动逼近工件表面并维持一个恒定的力F，该恒定的力F的初值为5-20mN，具体逼近工件表面过程如下：开始，Z向粗动工作台先向下移动的距离A=5-18μm，然后压电陶瓷驱动Z向微动工作台向下移动的距离B=6-20μm，在Z向微动工作台移动过程中检测力传感器的值，如果达到设定值，则认为微探针刀具与工件表面接触；如果没有达到设定值，则Z向微动工作台向上回至零位，之后，Z向粗动工作台向下继续移动5-18μm，重复上述过程，直至实现微探针刀具与工件表面的接触；执行过程中必须保证A<B，以保证在Z向粗动工作台向下移动A后，Z向微动工作台具有足够的空间B探测工件表面，A值越小，自动逼近过程越慢，A值越大，自动逼近过程越快，B根据A值确定，满足A<B即可；

步骤二：恒力条件下的刻划加工；

当微探针刀具与工件表面接触后，开始刻划加工，启动力闭环控制模块，Z向微动工作台上下移动，设置比例增益Kp参数范围为15000-50000、积分增益Ki参数范围为20000-40000，实现垂直力的实时闭环控制，垂直方向力的范围为15-500mN，同时，X-Y向精密工作台带动工件做精密移动，实现微沟槽结构的加工，加工的微沟槽长度为1-6mm，微沟槽深度为：0.5-5μm，移动速度为0.01-0.1mm/s；

步骤三：加工完成退刀过程；

微沟槽结构加工好后，力闭环控制结束，微探针刀具由Z向粗动工作台带动以25mm/s的速度向上移动脱离工件表面，加工结束。

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