CN104495743B - 用于微纳加工与表面形貌测量的设备及其使用方法 - Google Patents
用于微纳加工与表面形貌测量的设备及其使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于微纳加工与表面形貌测量的设备，包括底座和垂直固定在底座上的立座以及三个呈空间正交分布的手动螺旋台，三个手动螺旋台分别为：安装在底座上的Y向手动螺旋台、安装在Y向手动螺旋台上的X向手动螺旋台和安装在立座上的Z向手动螺旋台，在X向手动螺旋台上固定有x/y/z三向精密定位平台，在x/y/z三向精密定位平台上固定有载物台，在x/y/z三向精密定位平台上方设有探针系统，探针系统安装在L型板的下表面上，L型板固定在Z向手动螺旋台上。本发明还公开了上述设备的使用方法。本发明能够实现基于位移和基于力的两种方式的微纳加工以及实现基于力的表面形貌测量。
Description
技术领域
本发明涉及微纳领域，特别是一种用于微纳加工与表面形貌测量的设备及采用该设备进行微纳加工和表面形貌测量的方法。
背景技术
微纳加工与表面形貌测量是微纳领域的一个重要方向。市面上的原子力显微镜可以实现上述两种功能，但不足之处在于：1)精密定位精度低，不能实现精准的微纳加工；2)只能实现基于力的微纳加工，加工深度难以预测；3)探针悬臂为单向支撑，易受加工方向的影响。除去原子力显微镜，还有其它可实现这两种功能的设备，虽然定位精度有所提高，但是一般也都只能实现基于力的微纳加工和表面测量，很少有能够实现基于位移和基于力两种方式的微纳加工。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用于微纳加工与表面形貌测量的设备及采用该设备进行微纳加工和表面形貌测量的方法，该设备能够实现基于位移和基于力的两种方式的微纳加工以及实现基于力的表面形貌测量。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的第一个技术方案是：一种用于微纳加工与表面形貌测量的设备，包括底座和垂直固定在所述底座上的立座以及三个呈空间正交分布的手动螺旋台，三个所述手动螺旋台分别为：安装在所述底座上的Y向手动螺旋台、安装在所述Y向手动螺旋台上的X向手动螺旋台和安装在所述立座上的Z向手动螺旋台，在所述X向手动螺旋台上固定有x/y/z三向精密定位平台，在所述x/y/z三向精密定位平台上固定有载物台，在所述x/y/z三向精密定位平台上方设有探针系统，所述探针系统安装在L型板的下表面上，所述L型板固定在所述Z向手动螺旋台上；
所述探针系统包括从上至下依次同心固接的上端盖、线圈箍、连接环、探针悬臂和下端盖；所述上端盖固接在所述L型板的下表面上；所述线圈箍的上部为连接盘，下部为绕线轮，中心处设有通孔，在所述绕线轮上绕有线圈，所述绕线轮延伸至所述连接环内；在所述下端盖的上表面中部设有方槽，在所述方槽内嵌装有玻璃基片，在所述玻璃基片的上表面上形成有电镀铜膜；所述探针悬臂形成在一个金属箔片的中部，采用镂空封闭结构，在所述探针悬臂上表面的中心处固设有永磁体，所述永磁体的上部延伸至所述线圈箍的中心通孔内，在所述探针悬臂下表面的中心处固设有金刚石探针，所述金刚石探针穿过所述玻璃基片和所述下端盖伸出在所述下端盖之下，所述金刚石探针、所述永磁体和所述线圈箍同轴设置；所述电镀铜膜与所述探针悬臂组成电容传感器。
所述电镀铜膜由相隔设置的至少两部分组成。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的第二个技术方案是：采用上述设备进行基于位移的微纳加工方法，通过探针悬臂与电镀铜膜组成的电容传感器测量金刚石探针的z向位置，反馈控制输入到线圈的电流，该电流与永磁体相互作用产生电磁力使金刚石探针在z向位置保持不变；控制x/y/z三向精密定位平台运行，实现基于位移的微纳加工。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的第三个技术方案是：采用上述设备进行基于力的微纳加工方法，禁用x/y/z三向精密定位平台的z向运动，使x/y/z三向精密定位平台在x/y平面内运动；控制输入到线圈的电流，从而控制该电流与永磁体产生的电磁力；通过探针悬臂与电镀铜膜组成的电容传感器测量探针悬臂的变形量，计算变形力，电磁力与变形力的差值即为最终施加在金刚石探针上的力，从而实现基于力的微纳加工。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的第四个技术方案是：采用上述设备进行表面形貌测量的方法，禁止向线圈输入电流，使x/y/z三向精密定位平台沿z向移动，促使探针悬臂产生一定的变形，通过探针悬臂与电镀铜膜组成的电容传感器测量探针悬臂的变形量，计算变形力，该变形力等效于金刚石探针与样品的接触力，使x/y/z三向精密定位平台在x/y平面内运动开始进行测量，在测量过程中保持金刚石探针与样品的接触力不变，实时调节x/y/z三向精密定位平台的z向运动，则该z向运动反映了样品的表面形貌，实现了基于力的表面形貌测量。
本发明具有的优点和积极效果是：通过三个手动螺旋台实现载物台的大范围位置调节，通过x/y/z三向精密定位平台实现精密运动，协调控制探针系统和x/y/z三向精密定位平台可实现基于位移和基于力的微纳加工方法，其中基于位移的微纳加工方法可大大减少加工参数对加工深度的影响，增强设备的可控性，尤其在对不同材料进行加工时，非常方便；基于力的微纳加工则可得到高精度的微纳结构。除此之外该设备还可以对微纳表面进行形貌测量。
附图说明
图1为本发明设备的结构示意图；
图2为本发明设备中探针系统的详解图。
图中：1x、X向手动螺旋台，1y、Y向手动螺旋台，1z、Z向手动螺旋台，2、立座，3、L型板，4、探针系统，5、载物台，6、x/y/z三向精密定位平台，7、连接板，8、底座；41、上端盖，42、中心通孔，43、线圈箍，44、线圈，45、连接环，46、永磁体，47、探针悬臂，48、金刚石探针，49、电镀铜膜，410、玻璃基片，411、方槽，412、中心孔，413、下端盖。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1和图2，一种用于微纳加工与表面形貌测量的设备，包括底座8和垂直固定在所述底座8上的立座2以及三个呈空间正交分布的手动螺旋台，三个所述手动螺旋台分别为：安装在所述底座8上的Y向手动螺旋台1y、安装在所述Y向手动螺旋台1y上的X向手动螺旋台1x和安装在所述立座2上的Z向手动螺旋台1z，在所述X向手动螺旋台1x上固定有x/y/z三向精密定位平台6，x/y/z三向精密定位平台6和X向手动螺旋台1x通过连接板7连接。在所述x/y/z三向精密定位平台6上固定有载物台5，在所述x/y/z三向精密定位平台6上方设有探针系统4，所述探针系统4安装在L型板3的下表面上，所述L型板3固定在所述Z向手动螺旋台1z上。载物台5用来承载样品。探针系统4提供加工过程与表面形貌测量过程中所需的力。
所述探针系统包括从上至下依次同心固接的上端盖41、线圈箍43、连接环45、探针悬臂47和下端盖413；所述上端盖41固接在所述L型板3的下表面上；所述线圈箍43的上部为连接盘，下部为绕线轮，中心处设有通孔，在所述绕线轮上绕有线圈44，所述绕线轮延伸至所述连接环45内；在所述下端盖413的上表面中部设有方槽411，在所述方槽411内嵌装有玻璃基片410，在所述玻璃基片410的上表面上形成有电镀铜膜49；所述探针悬臂47形成在一个金属箔片的中部，采用镂空封闭结构，在所述探针悬臂47上表面的中心处固设有永磁体46，所述永磁体46的上部延伸至所述线圈箍43的中心通孔42内，在所述探针悬臂47下表面的中心处固设有金刚石探针48，所述金刚石探针48穿过所述玻璃基片410和所述下端盖413伸出在所述下端盖413之下，所述金刚石探针48、所述永磁体46和所述线圈箍43同轴设置；所述电镀铜膜49与所述探针悬臂47组成电容传感器。在所述玻璃基片410和所述下端盖413上设有供金刚石探针48穿过的中心孔412。永磁体46可以在线圈箍的中心通孔42中z向自由移动。金刚石探针48穿出下端盖413后与样品进行接触。
在本实施例中，所述电镀铜膜49由相隔设置的至少两部分组成。相比于一个整体的电镀铜膜，将电镀铜膜分为至少两部分，电镀铜膜49可与探针悬臂47组成至少两个电容传感器，这种结构的设置可以测得至少两组数据，对金刚石探针48在z向位置的变化会更敏感更准确，除满足基本的微纳加工与表面形貌测量外，还可以提供必要的数据供表面形貌的其它分析，比如粗糙度。
采用上述设备进行基于位移的微纳加工方法，通过探针悬臂47与电镀铜膜49组成的电容传感器测量金刚石探针48的z向位置，反馈控制输入到线圈44的电流，该电流与永磁体46相互作用产生电磁力使金刚石探针48在z向位置保持不变；控制x/y/z三向精密定位平台6运行，实现基于位移的微纳加工。
采用上述设备进行基于力的微纳加工方法，禁用x/y/z三向精密定位平台6的z向运动，使x/y/z三向精密定位平台6在x/y平面内运动；控制输入到线圈44的电流，从而控制该电流与永磁体46产生的电磁力；通过探针悬臂47与电镀铜膜49组成的电容传感器测量探针悬臂47的变形量，计算变形力，电磁力与变形力的差值即为最终施加在金刚石探针48上的力，从而实现基于力的微纳加工。
采用上述设备进行表面形貌测量的方法，禁止向线圈44输入电流，使x/y/z三向精密定位平台6沿z向移动，促使探针悬臂47产生一定的变形，通过探针悬臂47与电镀铜膜49组成的电容传感器测量探针悬臂47的变形量，计算变形力，该变形力等效于金刚石探针48与样品的接触力；使x/y/z三向精密定位平台6在x/y平面内运动开始进行测量，在测量过程中保持金刚石探针48与样品的接触力即变形力不变，实时调节x/y/z三向精密定位平台6的z向运动，则该z向运动反映了样品的表面形貌，实现了基于力的表面形貌测量。
综上所述。上述底座8和立座2是整个设备的支撑结构，通过手动螺旋台实现加工样品在x、y、z三个方向的大范围调整，便于样品的放置。x/y/z三向精密定位平台6用来对样品的运动进行纳米级别的控制，以保证微纳加工和表面形貌测量的精度。探针系统4中的电磁结构可产生电磁力，为微纳加工过程与表面形貌测量过程提供所需要的力。协调控制探针系统4和x/y/z三向精密定位平台6即可实现基于位移和基于力两种方式的微纳加工以及表面形貌的测量。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于微纳加工与表面形貌测量的设备，其特征在于，包括底座和垂直固定在所述底座上的立座以及三个呈空间正交分布的手动螺旋台，三个所述手动螺旋台分别为：安装在所述底座上的Y向手动螺旋台、安装在所述Y向手动螺旋台上的X向手动螺旋台和安装在所述立座上的Z向手动螺旋台，在所述X向手动螺旋台上固定有x/y/z三向精密定位平台，在所述x/y/z三向精密定位平台上固定有载物台，在所述x/y/z三向精密定位平台上方设有探针系统，所述探针系统安装在L型板的下表面上，所述L型板固定在所述Z向手动螺旋台上；
所述探针系统包括从上至下依次同心固接的上端盖、线圈箍、连接环、探针悬臂和下端盖；所述上端盖固接在所述L型板的下表面上；所述线圈箍的上部为连接盘，下部为绕线轮，中心处设有通孔，在所述绕线轮上绕有线圈，所述绕线轮延伸至所述连接环内；在所述下端盖的上表面中部设有方槽，在所述方槽内嵌装有玻璃基片，在所述玻璃基片的上表面上形成有电镀铜膜；所述探针悬臂形成在一个金属箔片的中部，采用镂空封闭结构，在所述探针悬臂上表面的中心处固设有永磁体，所述永磁体的上部延伸至所述线圈箍的中心通孔内，在所述探针悬臂下表面的中心处固设有金刚石探针，所述金刚石探针穿过所述玻璃基片和所述下端盖伸出在所述下端盖之下，所述金刚石探针、所述永磁体和所述线圈箍同轴设置；所述电镀铜膜与所述探针悬臂组成电容传感器。
2.根据权利要求1所述的用于微纳加工与表面形貌测量的设备，其特征在于，所述电镀铜膜由相隔设置的至少两部分组成。
3.采用如权利要求1所述的设备进行基于位移的微纳加工方法，其特征在于，通过探针悬臂与电镀铜膜组成的电容传感器测量金刚石探针的z向位置，反馈控制输入到线圈的电流，该电流与永磁体相互作用产生电磁力使金刚石探针在z向位置保持不变；控制x/y/z三向精密定位平台运行，实现基于位移的微纳加工。
4.采用如权利要求1所述的设备进行基于力的微纳加工方法，其特征在于，禁用x/y/z三向精密定位平台的z向运动，使x/y/z三向精密定位平台在x/y平面内运动；控制输入到线圈的电流，从而控制该电流与永磁体产生的电磁力；通过探针悬臂与电镀铜膜组成的电容传感器测量探针悬臂的变形量，计算变形力，电磁力与变形力的差值即为最终施加在金刚石探针上的力，从而实现基于力的微纳加工。
5.采用如权利要求1所述的设备进行表面形貌测量的方法，其特征在于，禁止向线圈输入电流，使x/y/z三向精密定位平台沿z向移动，促使探针悬臂产生一定的变形，通过探针悬臂与电镀铜膜组成的电容传感器测量探针悬臂的变形量，计算变形力，该变形力等效于金刚石探针与样品的接触力，使x/y/z三向精密定位平台在x/y平面内运动开始进行测量，在测量过程中保持金刚石探针与样品的接触力不变，实时调节x/y/z三向精密定位平台的z向运动，则该z向运动反映了样品的表面形貌，实现了基于力的表面形貌测量。
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