CN104528632B - 利用三棱锥微探针轨迹运动加工微结构的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用三棱锥微探针轨迹运动加工微结构的装置及方法。所述装置由支座、z向粗动定位台、三维压电位移台、三棱锥微探针、光学显微镜、二维调平台和二维工作台构成，其中：二维工作台固定在支座上，二维调平台固定在二维工作台，三棱锥微探针位于二维调平台上方并与三维压电位移台刚性连接，三维压电位移台与z向粗动定位台连接，光学显微镜固定在支座上，用于观测三棱锥微探针与金属样品间的距离。本发明通过采用几何非对称的三棱锥探针进行圆周公转轨迹运动，可以使得在每一次的旋转切削中刀具的前角不断变化，控制确定的进给方向进行加工，能够在金属样品表面加工得到毛刺较小的微结构。

Description

利用三棱锥微探针轨迹运动加工微结构的装置及方法

技术领域

本发明属于微纳米结构加工领域，涉及一种基于AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的装置及方法。

背景技术

微小型化技术很大程度上推动了微纳米领域的研究，而且广泛应用于很多工业领域，如信息技术、医疗、生物化学以及汽车等等。为满足微小零部件和微小结构所需的尺寸要求，相应的微纳米加工技术发展迅速。目前，微纳米加工技术主要包括：微切削加工技术、微电火花加工技术以及刻蚀加工技术。其中微切削加工技术因其具有加工系统灵活性高，加工材料范围广等优点而被学者们广泛研究。

在微切削加工技术中微铣削加工最为适合加工三维微结构，但随着加工结构的尺寸逐渐减小，微铣削只能通过减小刀具的尺寸来满足要求。目前，有学者通过砂轮磨削可加工出直径50微米左右的微铣刀，采用聚焦离子束能够加工最小20微米直径的微铣刀。由于铣削是刀具的回转加工，因此刀具的直径减小使得为达到足够的切削线速度，主轴的转速就需要非常高，这对主轴的动态特性要求非常高，增加了实验设备的成本。而且微铣刀直径尺寸的减小降低了刀具的强度，使得在加工过程中刀具破损的概率增加。

原子力显微镜（AFM）是依靠针尖与样品间的作用力来进行工作的，在力小的时候用来检测，而在力大的时候可以用来加工。由于AFM的探针很小（针尖圆弧半径大约几十纳米），施加的力也很小，故可以加工出更小的结构。通过控制微悬臂的弯曲程度来控制针尖-样品间的加工力，可以在工件表面加工得到准三维结构。但由于其依靠力控制加工的特点，使得加工结构的深度不可确定；而且受探针微悬臂弯曲程度的限制，可施加的作用力变化范围也不是很大。

目前，采用机械去除的方法加工微结构的技术手段中，能加工出微结构的尺寸在几微米到一百微米，尚且没有一种较为成熟的加工技术。减小微铣削的加工尺寸，或者增大基于原子力显微镜加工的加工尺寸都会引入新的技术难题，并且增加了实验设备的成本。因此，一种新的加工方法亟需提出来填补这一加工空缺。此外，在利用微铣削加工具有延展性良好的金属样件时，往往会在加工结构的边缘产生毛刺，这直接影响工件的加工精度以及表面质量，而去毛刺过程不但复杂又会降低加工效率。因此，对于减少毛刺在加工过程中的产生的研究是十分有意义的。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用三棱锥微探针轨迹运动加工微结构的装置及方法，实现在金属样品表面上加工出尺寸变化在十微米到一百微米范围内的微结构，并且微结构的边缘有较少的毛刺生成。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种利用三棱锥微探针轨迹运动加工微结构的装置，包括支座、z向粗动定位台、三维压电位移台、三棱锥微探针、光学显微镜、二维调平台、二维工作台，其中：二维工作台固定在支座上，二维调平台固定在二维工作台，三棱锥微探针位于二维调平台上方并与三维压电位移台刚性连接，三维压电位移台与z向粗动定位台连接，光学显微镜固定在支座上，用于观测三棱锥微探针与金属样品间的距离。

一种利用上述装置加工微结构的方法，包括如下步骤：

步骤一、三维压电位移台带动三棱锥探针旋转运动：

选取三维压电位移台作为加工的驱动元件，将三棱锥探针通过转接件刚性连接在三维压电位移台上，组成刀具运动模块。通过对三维压电位移台的水平轴（x轴和y轴）施加两路异相的正弦激励信号，使得每个水平轴做往复地简谐运动，而两个轴的合运动使得三维压电位移台在水平面内做圆周公转，从而带动三棱锥探针运动。通过对三维压电位移台的竖直轴（z轴）施加阶跃信号，能够使得三维压电位移台在竖直方向上来回伸缩，这不但可以带动三棱锥探针逼近金属样品表面，还可以改变加工的微结构的加工深度。三棱锥探针的圆周半径为5-10μm，旋转的频率10-20Hz。

步骤二、三棱锥探针与金属样品表面的接触：

采用z向粗动位移台带动刀具运动模块向金属样品表面粗逼近，通过光学显微镜观察三棱锥探针与金属样品间的距离，当三棱锥探针-金属样品间的距离达到三维压电位移台的数值伸缩范围内时，改用三维压电位移台的z轴伸长带动三棱锥探针微逼近金属样品表面，从而完成三棱锥探针与金属样品的接触。

步骤三、三棱锥探针朝向与二维工作台进给方向的确定：

由于三棱锥探针的几何形状是非对称的，这就使得在其绕某一点旋转的过程中，沿不同的进给方向，运动的轨迹是不一样的，从而造成材料不同的去除方式，影响着加工的结果。因此，在加工前需要对三棱锥探针相对于二维工作台运动方向的朝向进行确定。用三棱锥探针对金属样品进行压印，在金属样品表面留下三角形的压痕，随后二维工作台移动一定的距离，用同样的方式在金属样品表面做压印。在光学显微镜下观察两个位置的压痕，确定三棱锥探针相对于二维工作台运动方向的朝向。

步骤四、金属样品表面的调平：

由于是刚性加工，为保证加工的微结构深度一致，故需要消除金属样品表面的倾斜。通过记录三棱锥探针在不同位置与金属样品表面接触后三维压电位移台的伸缩量，检测金属样品表面的倾斜性。采用二维调平台沿水平二维方向调整金属样品表面，使得在不同位置三棱锥探针-金属样品接触时，三维压电位移台的伸缩量一致，从而保证了金属样品表面的水平。

步骤五、配合二维工作台进给运动加工微结构：

待旋转地三棱锥探针与金属样品接触后，让三维压电位移台向下伸缩来达到预定的加工深度，此时控制二维工作台带动金属样品运动开始加工微结构。二维工作台沿一个方向运动时，加工出的是微通道结构，微通道的宽为探针的旋转半径。当三棱锥探针的朝向和旋转方向确定以后，由于三棱锥的非对称几何形状二维工作台沿x+，x-，y+，y-四个方向分别进给，可获得四种不同轮廓的微通道。二维工作台联合运动时，可加工出平面结构，同时，增加三棱锥探针z向的位移可加工得到带有深度变化的微结构。

本发明具有如下优点：

1、能够加工出尺寸变化范围在几微米到上百微米内的微结构，采用位移控制加工故加工深度可控。

2、通过采用几何非对称的三棱锥探针进行圆周公转轨迹运动，可以使得在每一次的旋转切削中刀具的前角不断变化，控制确定的进给方向进行加工，能够在金属样品表面加工得到毛刺较小的微结构。

附图说明

图1为本发明所述的基于微探针圆周轨迹运动进行机械加工的装置的结构示意图；

图2为本发明所述三棱锥针尖加工的圆周轨迹以及按四种不同方向进给的示意图；

图3为本发明加工三维微结构时工作台进给轨迹的示意图；

图中：1-z向粗动定位台、2-三维压电位移台、3-三棱锥微探针、4-光学显微镜、5-金属样品，6-二维调平台、7-二维工作台，8-三角形压痕的某一条边，9-三棱锥针尖最外轮廓覆盖的轨迹（即加工轨迹），10-针尖尖端顶点的运动轨迹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本发明提供的基于微探针轨迹运动的加工装置包括支座、z向粗动定位台1、三维压电位移台2、三棱锥微探针3、光学显微镜4、二维调平台6、二维工作台7，其中：二维工作台7由x向移动台和y向移动台垂直安装组成，x向移动台固定在支座上，二维调平台6固定在y向移动台上，三棱锥微探针3位于二维调平台6上方并与三维压电位移台2刚性连接，三维压电位移台2与z向粗动定位台1连接，光学显微镜4固定在支座上，用于观测三棱锥微探针3与金属样品5间的距离。

利用上述加工装置进行微结构加工的方法，具体步骤如下：

步骤一、针尖逼近样品表面：

选取三棱锥针尖用来做压印的探针，针尖的面角为35o，三条棱边的刃口半径小于40nm。将三棱锥微探针3与三维压电位移台2刚性连接，并一起与z向粗动定位台1相连接，三维压电位移台2三个方向闭环行程为100μm，分辨率为7nm，重复定位精度为30nm。控制z向粗动定位台1带动三维压电位移台2向下移动逼近金属样品5表面，z向粗动定位台1的行程100mm，重复定位精度5μm。通过光学显微镜4观测三棱锥微探针3与金属样品5间的距离，当两者间的距离在三维压电位移台2的运动行程内后，停止z向粗动定位台1向下移动，改用三维压电位移台2以100nm的位移量逐步向下移动，同时二维工作台7沿一个方向移动，当通过光学显微镜4看到三棱锥微探针3在金属样品5表面有划痕出现时，表明三棱锥微探针3与金属样品5表面已经接触，并记录此时三维压电位移台2的向下位移量。

步骤二、消除工件表面的倾斜：

通过计算机输出数字指令信号，并将数字信号通过D/A转换卡转换成模拟信号，模拟信号放大后以驱动三维压电位移台2。随后确定输入模拟信号的电压与三维压电位移台2位移的对应关系：1v对应10μm的位移。先对三维压电位移台2的z轴输入阶跃信号，使得三棱锥微探针3逼近金属样品5，直到三棱锥微探针3接触金属样品5表面，此时记下三维压电位移台2的向下位移量。抬起三棱锥微探针3，控制二维工作台7中的x+向移动台带动金属样品5移动到下一个位置，继续使三棱锥微探针3逼近并接触金属样品5表面，并记下当前的三维压电位移台2的位移量。对比在两个位置三维压电位移台2的位移量，判断金属样品5表面在x+和x-方向哪边高哪边低，之后调节二维调平台6的x向，直到在x向上三棱锥微探针3与金属样品5表面各个位置接触时三维压电位移台2在的位移量一致，因此消除了金属样品5表面在x轴的倾斜，在此调平过程中y向移动台保持不动。用同样的方法调整y轴的倾斜，保证在y向上三棱锥微探针3与金属样品5表面各个位置接触时三维压电位移台2的位移量一致，这样就都消除了x向和y向的倾斜度，使得金属样品5表面的各点在二维水平面上的高度一致。

步骤三、调整三棱锥针尖位置：

在金属样品5表面调平之后，在金属样品5表面某一位置用三棱锥微探针3压入表面并留下压痕。控制三维压电位移台2抬起三棱锥微探针3与金属样品5表面分离，控制二维工作台7中的x向移动台带动金属样品5移动到下一个位置，继续在金属样品5表面做三棱锥微探针3压印。通过光学显微镜4观察金属样品5表面上两个三棱锥微探针3的三角形压痕中心连线与三角形边的夹角，之后调整三棱锥微探针3位置使其与二维工作台7的x，y向位置保证如图2所示，即：三角形压痕的某一条边8与x向移动台的移动方向平行，与y向移动台的移动方向垂直，从而完成针尖位置的调整。

步骤四、微通道的加工：

在针尖-样品未接触之前，向三维压电位移台2输入两路正弦信号，两路信号的振幅和频率均为1v和10Hz，但是相位相差90o，这样三维压电位移台2会带动三棱锥微探针3做圆周公转如图2所示。控制三维压电位移台2向下带动三棱锥微探针3逼近金属样品5表面，待三棱锥微探针3与金属样品5表面接触后，三维压电位移台2继续向下伸缩1-2μm的加工深度。随后控制二维工作台7沿x+方向以5μm/s的速度运动，这样就加工出10μm宽、1-2μm深的微通道，长度可由二维工作台7的位移量确定。同样的方法可加工出二维工作台7沿x-、y+、y-方向进给得到的微通道。可以发现，由于三棱锥微探针3的几何形状，使得沿这四种方向进给得到的加工轨迹不同，从而针尖在每一圈旋转中的未变形切屑厚度的变化不同，旋转中三棱锥微探针3前刀面与金属样品未加工表面的夹角α即前角的变化也各不同，因此加工得到的微通道的轮廓不相同。当采用如图2所示沿x+方向进给加工时，三棱锥微探针3切入和切出时与金属样品未加工表面的夹角均为正前角，因此切削变形小，金属材料的塑性变形小。所以加工得到微通道两侧壁产生的毛刺小，微通道就越光整。

步骤五、三维微结构的加工：

如图3所示，对于加工三维微结构，加工策略是先逐条微通道加工从而形成一个凹坑面。沿x+方向每条微通道工作台进给两次图3长箭头所示（长箭头为加工每条微通道时x向移动台的运动轨迹，其长度代表加工微通道的长度）；随后沿y+方向工作台微量进给图3短箭头所示（短箭头为每条微通道加工完成后y向移动台的运动轨迹，其长度代表了移动的进给量），进给量要小于微通道的宽度，凹坑面的尺寸由长箭头的长度和所有短箭头的长度和决定。一个凹坑面加工完成后，在此已加工表面基础上增加加工深度，在下一个深度再加工一个新的凹坑，同时减小凹坑的尺寸，这样就会加工出台阶结构。以此类推，在不同深度下加工尺寸逐渐减小的凹坑，就可以加工得到具有不同深度台阶的三维结构。由于采用步骤五所述的沿x+进给加工微通道的方式加工台阶结构，这就会使得台阶的边缘更加的光整。

Claims (4)

1.利用三棱锥微探针轨迹运动加工微结构的装置加工微结构的方法，所述装置由支座、z向粗动定位台、三维压电位移台、三棱锥微探针、光学显微镜、二维调平台和二维工作台构成，其中：二维工作台固定在支座上，二维调平台固定在二维工作台，三棱锥微探针位于二维调平台上方并与三维压电位移台刚性连接，三维压电位移台与z向粗动定位台连接，光学显微镜固定在支座上，用于观测三棱锥微探针与金属样品间的距离，其特征在于所述方法步骤如下：

步骤一、三维压电位移台带动三棱锥探针旋转运动：

选取三维压电位移台作为加工的驱动元件，将三棱锥探针连接在三维压电位移台上，组成刀具运动模块；通过对三维压电位移台的水平轴施加两路异相的正弦激励信号，使得每个水平轴做往复简谐运动，而两个轴的合运动使得三维压电位移台在水平面内做圆周公转，从而带动三棱锥探针运动；通过对三维压电位移台的竖直轴施加阶跃信号，使得三维压电位移台在竖直方向上来回伸缩；

步骤二、三棱锥探针与金属样品表面的接触：

采用z向粗动位移台带动刀具运动模块向金属样品表面粗逼近，通过光学显微镜观察三棱锥探针与金属样品间的距离，当三棱锥探针-金属样品间的距离达到三维压电位移台的伸缩范围内时，改用三维压电位移台的z轴伸长带动三棱锥探针微逼近金属样品表面，从而完成三棱锥探针与金属样品的接触；

步骤三、三棱锥探针朝向与二维工作台进给方向的确定：

用三棱锥探针对金属样品进行压印，在金属样品表面留下三角形的压痕，随后二维工作台移动一定的距离，用同样的方式在金属样品表面做压印；在光学显微镜下观察两个位置的压痕，确定三棱锥探针相对于二维工作台运动方向的朝向；

步骤四、金属样品表面的调平：

采用二维调平台沿水平二维方向调整金属样品表面，使得在不同位置三棱锥探针-金属样品接触时，三维压电位移台的伸缩量一致，从而保证金属样品表面的水平；

步骤五、配合二维工作台进给运动加工微结构：

待旋转的三棱锥探针与金属样品接触后，让三维压电位移台向下伸缩来达到预定的加工深度，此时控制二维工作台带动金属样品运动开始加工微结构。

2.根据权利要求1所述的利用三棱锥微探针轨迹运动加工微结构的装置加工微结构的方法，其特征在于所述三棱锥探针的圆周半径为5-10μm，旋转的频率10-20Hz。

3.根据权利要求1所述的利用三棱锥微探针轨迹运动加工微结构的装置加工微结构的方法，其特征在于所述三维压电位移台三个方向闭环行程为100μm，分辨率为7nm，重复定位精度为30nm。

4.根据权利要求1所述的利用三棱锥微探针轨迹运动加工微结构的装置加工微结构的方法，其特征在于所述z向粗动定位台1的行程100mm，重复定位精度5μm。