CN105239148A - 一种探头加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种探头加工设备，包括控制器、控制电路、机械装置和腐蚀液装置，其中，控制器与机械装置相连；腐蚀液装置包括电极和腐蚀液；机械装置用于固定待加工探头，并带动该待加工探头移动；控制电路包括制备腐蚀电路、制备停止电路和判断电路；制备腐蚀电路用于向电极输出腐蚀电压；制备停止电路采集制备腐蚀电路的电流变化信号；判断电路用于检测探头是否浸入腐蚀液。本发明中的探头加工设备，通过对控制电路的结构及连接方式进行改进，并配合以机械装置等的其他部件，能够实现对探头腐蚀过程中的腐蚀电压、探头浸没深度、探头提升速度等重要参数的精确控制，加工得到高精度、耐磨损、可回收、成本低的纳米探头。

Description

一种探头加工设备

技术领域

本发明属于测试技术领域，更具体地，涉及一种探头加工设备。

背景技术

目前，精密科技发展迅速，并对当前科技研究、社会生产、日常生活产生巨大影响。探头被广泛应用于精密科技领域，例如扫描隧道显微镜、半导体测量仪、纳米操作臂等。现有技术常用的精密探头制备方法包括超真空离子场显微镜、研磨、剪切、场致(静电)发射、电化学腐蚀等。其中，电化学腐蚀法以其制备重复性好、价格低廉、结构简单的特点而获得越来越多的青睐。

尽管电化学腐蚀法具有上述优点，但现有技术中的电化学腐蚀方法及其对应的设备一般采用人为控制，往往是根据操作者的经验对探头进行加工处理，稳定性差，且探头表面形貌不平整，难以对探头进行高精度的加工，影响探头的表面质量，得到的探头往往只能用于对探头精密度要求不高的场合。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种探头加工设备，其中通过对其关键的控制电路的结构及连接方式进行改进，并配合以机械装置等的其他部件，能够实现对探头腐蚀过程中的腐蚀电压、探头浸没深度、探头提升速度等重要参数的精确控制，加工得到表面质量好、耐磨损、可回收、成本低的探头，并且该加工设备在对待加工探头进行腐蚀处理时是采用移动式方式，使加工后的探头具有较长的针尖段、平滑变化的针尖曲率半径和大的长径比。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种探头加工设备，其特征在于，包括控制器、控制电路、机械装置和腐蚀液装置，其中，

所述控制器与所述机械装置相连，用于输出腐蚀电压指令至所述控制电路，并用于控制所述机械装置；

所述腐蚀液装置包括电极和腐蚀液，该腐蚀液用于腐蚀待加工探头；

所述机械装置用于固定所述待加工探头，并带动该待加工探头移动；

所述控制电路包括制备腐蚀电路、制备停止电路和判断电路，其中，

所述制备腐蚀电路用于接收所述控制器输出的腐蚀电压指令，并根据该腐蚀电压指令输出腐蚀电压至所述腐蚀液装置的电极；

所述制备停止电路采集所述制备腐蚀电路的电流变化信号，并将该电流变化信号传输至所述控制器；

所述判断电路用于检测所述待加工探头是否浸入所述腐蚀液，并输出探头浸入信号至所述控制器；

所述控制器根据所述电流变化信号、以及所述探头浸入信号调整所述腐蚀电压指令。

作为本发明的进一步优选，当所述待加工探头被所述机械装置带动浸入所述腐蚀液一定深度时，该待加工探头被所述机械装置匀速向上提升，探头加工过程开始；当所述待加工探头脱离所述腐蚀液时，该待加工探头是被所述机械装置加速向上提升快速脱离所述腐蚀液，探头加工过程结束。

作为本发明的进一步优选，当所述制备停止电路采集到的所述制备腐蚀电路的电流变化信号超过预先设定的阈值时，所述控制器调整所述腐蚀电压指令，使所述制备腐蚀电路输出至所述腐蚀液装置电极的腐蚀电压为0；所述判断电路调整所述探头浸入信号，使所述机械装置在所述控制器的控制下加速向上提升所述待加工探头，使该待加工探头远离所述腐蚀液。

作为本发明的进一步优选，所述机械装置包括驱动器、电动机、联轴器、轴承、滚珠丝杠、螺母、柔性铰链、支架、移动工作板和探头夹具，所述驱动器的输入端与所述控制器连接，并用于驱动所述电动机；所述电动机的主轴通过所述联轴器与所述滚珠丝杠的固定端固定连接；该滚珠丝杠通过所述轴承固定在所述支架上；所述螺母固定在所述滚珠丝杠上，所述移动工作板通过所述柔性铰链与该螺母固定连接；所述移动工作板上还固定连接着所述探头夹具，该探头夹具用于夹持所述待加工探头。

作为本发明的进一步优选，所述轴承包括位于所述滚珠丝杠上端的上轴承和位于所述滚珠丝杠下端的下轴承；所述上轴承为固定式轴承，所述下轴承为游动式轴承。

作为本发明的进一步优选，所述探头夹具包括排针和排母，所述排针固定在所述移动工作板上，所述待加工探头安装在所述排母上。

作为本发明的进一步优选，所述腐蚀液装置的电极是采用待加工探头作为阳极。

作为本发明的进一步优选，所述控制器还与计时器相连，用于计算待加工探头的腐蚀时间。

作为本发明的进一步优选，当所述待加工探头浸入所述腐蚀液至预先设定的深度时，所述计时器开始计时；当所述待加工探头脱离所述腐蚀液时，所述计时器停止计时。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明中的探头加工设备，探头在浸入腐蚀液后就不停地缓慢提起探头，不再让探头在腐蚀液中静止腐蚀，从而形成具有较长的针尖段、针尖曲率半径平滑变化并且长径比大的新型探头。并且由于直径变化缓慢，在最尖端磨损后仍然可以继续使用，更重要的是，较大的长径比使得即使尖端磨损之后，还可以回收进行精腐蚀，获得小曲率半径的探头再使用，显著降低了使用成本。

2、本发明中的探头加工设备可以根据探头规格要求确定探头的浸没深度，并进一步根据浸没深度与提升速度、腐蚀电压之间的闭环关系，精确计算确定提升速度、腐蚀电压，并通过腐蚀电压、提升速度的精准控制，得到具有需要规格的探头，实现探头的精密可控性。

3、本发明中的探头加工设备通过设置制备腐蚀电路，保证腐蚀过程中腐蚀电压保持恒定，实验证明本发明探头制备装置在腐蚀过程中的腐蚀电压变化缓慢并且差值范围在0.1V之内，腐蚀电压非常恒定，因而制得的探头曲率恒定、形态标准。

4、本发明中的探头加工设备通过设置制备停止电路，控制器接收电压变化信号，判断并控制切断腐蚀电压，在切断腐蚀电压的同时控制电动机加速提起探头脱离腐蚀液，有利于形成更优的探头形态。

5、本发明中的探头加工设备通过设置专门的机械动力装置，使探头成形脱离腐蚀液后的提升速度较高，一般为通过实验获得的探头最大上升速度，探头针尖不易被钝化，有利于得到较小曲率半径的探头。本发明优选采用由三向异步电机、滚珠丝杠、联轴器、连接轴承等结构组成的微位移装置，连接可靠、位移精准、使用方便。

6、本发明提供的探头制备装置，通过控制器以及自动控制电路的设置，实现了探头制备过程的全自动控制，操作方便、控制精准、自动化程度高。

综上，本发明中的探头加工设备，尤其适用于加工纳米级探头(即探头尖的宽度在纳米范围，如几百纳米或几十纳米，甚至1个或几个原子)，加工精度高，操作便捷可靠。

附图说明

图1是本发明探头加工设备的结构示意图；

图中各附图标记的含义如下：1为工控机，11为上位机，12为控制器，2为机械装置，21为驱动器，22为电动机，23为联轴器，24为轴承，25为滚珠丝杠，26为螺母，27为柔性铰链，28为支架，29为移动工作板，30为探头夹具，3为制备腐蚀电路，4为制备停止电路，5为判断电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

如图1所示，本发明中的探头加工设备，包括工控机1、机械装置2和控制电路；其中，工控机1包括上位机11和控制器12，控制器12与机械装置2相连并用于控制机械装置移动；机械装置2用于固定探头并带动探头上下移动；控制电路包括与控制器12相连接的制备腐蚀电路3、制备停止电路4和判断电路5，其中：制备腐蚀电路3用于接收控制器12发出的腐蚀电压信号指令，并按照指令输出预设的腐蚀电压并保持腐蚀电压恒定；制备停止电路4采集制备腐蚀电路3电流变化信号，并将变化信号传送至控制器12；判断电路5用于检测探头浸入、脱离腐蚀液面，并将探头浸入信号、探头脱离信号发送至控制器12。

腐蚀开始时，制备停止电路4开始采集腐蚀电路的电流信号，并将其转换为电压信号，即判断电压。当探头即将脱离液面、腐蚀过程即将完成时，整个腐蚀电路的电阻急剧增大，导致腐蚀电流和判断电压也急剧减小，判断电压迅速减小至低于阈值电压，制备停止电路4的输出端由低电平变为高电平，控制器12检测到此信号变化后立即切断腐蚀电压，腐蚀过程停止。同时控制器12控制机械装置2按照探头脱离速度加速向上提升探头脱离腐蚀液。通过制备停止电路4的设置，能够精确控制腐蚀过程的停止，并在停止的同时快速提起探头，有利于形成更好的探头形态。

本发明提供的高精密探头的加工设备，机械装置2包括驱动器21、电动机22、联轴器23、轴承24、滚珠丝杠25、固定螺母26、柔性铰链27、支架28、移动工作板29和探头夹具30。其中，驱动器21的输入端连接控制器12，输出端连接电动机22，驱动器用于接收控制器12发出的指令，并按照指令驱动电动机22运转。电动机22的主轴通过联轴器23与滚珠丝杠25的固定端固定连接，滚珠丝杠25通过轴承24固定在支架28上。滚珠丝杠25上固定有螺母26，移动工作板29通过柔性铰链27与螺母26固定连接，移动工作板29上固定连接探头夹具30。使用时，在控制器12的指令下，驱动器21控制电动机22转动，电动机22通过联轴器23带动滚珠丝杠25转动，与滚珠丝杠25咬合的螺母26沿滚珠丝杠轴向直线运动，并带动移动工作板29、探头夹具30以及探头沿滚珠丝杠轴向作直线运动。

本发明提供的高精密探头的加工设备，优选地将机械装置的轴承24设为上轴承和下轴承，分别位于滚珠丝杠25的上端和下端，优选地设置上轴承为固定式轴承，下轴承为游动式轴承。

本发明提供的高精密探头的加工设备，探头夹具30采用排针和排母结构，排针固定在移动工作板29上，探头安装在排母上。采用排针排母结构安装固定探头，既可以实现导电连接又方便装拆，并由于探头在腐蚀过程中受到的作用力非常小，此种连接也足够牢固稳定，可靠实现探头在竖直方向上的往返直线运动。

在腐蚀液系统中，当待加工探头即将脱离腐蚀液液面(即探头浸入腐蚀液中的长度小于一定值)时，制备停止电路4采集制备腐蚀电路3的电流变化信号将会迅速增大；通过预先设定阈值，当该电流变化信号大于预先设定的阈值时，则表明待加工探头进行脱离腐蚀液的阶段，例如可以采取降低腐蚀电压、使机械装置加速向上提升待加工探头使该探头快速脱离腐蚀液等停止腐蚀的措施。

本发明提供的高精密探头的加工设备，可根据腐蚀电压、浸没深度和提升速度(即探头浸没提起速度)之间的定量关系，确定满足探头规格要求的相关制备参数，实现制备高精密探头的精确可控性。

由电化学动力学理论可知，在腐蚀液浓度一定的情况下，腐蚀电压与探头腐蚀速率成正比，所以对于直径一定的探头，所需要的腐蚀时间与腐蚀电压也成正比，此正比数值关系可以由实验具体得到，因而可以根据腐蚀电压确定腐蚀时间。再根据确定的腐蚀时间和浸没深度，进一步确定提升速度。本发明提供的高精密探头的加工设备，可以采用输入腐蚀电压、浸没深度和提升速度中的任意两个值，通过前述定量关系计算确定另一个值。优选地，选择向上位机11输入腐蚀电压和浸没深度，计算确定提升速度。

本发明提供的高精密探头的加工设备，控制器12还设置有计时软件，当探头下降至预设的浸没深度时，腐蚀时间计时开始，当探头上升至脱离腐蚀液时，腐蚀时间计时停止。控制器12上设置计时软件，能够在探头腐蚀实验中记录腐蚀所用时间，以得到腐蚀所需时间与腐蚀电压的正比关系，以便在正式制备探头时根据腐蚀电压确定腐蚀时间，并进一步确定浸没提起速度等重要参数。本发明中的探头加工设备，在探头加工过程中，待加工的探头既可以在机械装置的带动下向上提升(可以是匀速向上提升，也可以是非匀速向上提升)，也可以保持静止，可根据探头的形貌要求灵活调整腐蚀电压以及探头的移动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种探头加工设备，其特征在于，包括控制器(12)、控制电路、机械装置(2)和腐蚀液装置，其中，

所述控制器(12)与所述机械装置(2)相连，用于输出腐蚀电压指令至所述控制电路，并用于控制所述机械装置(2)；

所述腐蚀液装置包括电极和腐蚀液，该腐蚀液用于腐蚀待加工探头；

所述机械装置(2)用于固定所述待加工探头，并带动该待加工探头移动；

所述控制电路包括制备腐蚀电路(3)、制备停止电路(4)和判断电路(5)，其中，

所述制备腐蚀电路(3)用于接收所述控制器(12)输出的腐蚀电压指令，并根据该腐蚀电压指令输出腐蚀电压至所述腐蚀液装置的电极；

所述制备停止电路(4)采集所述制备腐蚀电路(3)的电流变化信号，并将该电流变化信号传输至所述控制器(12)；

所述判断电路(5)用于检测所述待加工探头是否浸入所述腐蚀液，并输出探头浸入信号至所述控制器(12)；

所述控制器(12)根据所述电流变化信号、以及所述探头浸入信号调整所述腐蚀电压指令。

2.如权利要求1所述探头加工设备，其特征在于，当所述待加工探头被所述机械装置(2)带动浸入所述腐蚀液一定深度时，该待加工探头被所述机械装置(2)匀速向上提升，探头加工过程开始；当所述待加工探头脱离所述腐蚀液时，该待加工探头是被所述机械装置(2)加速向上提升快速脱离所述腐蚀液，探头加工过程结束。

3.如权利要求1所述探头加工设备，其特征在于，当所述制备停止电路(4)采集到的所述制备腐蚀电路(3)的电流变化信号超过预先设定的阈值时，所述控制器(12)调整所述腐蚀电压指令，使所述制备腐蚀电路(3)输出至所述腐蚀液装置电极的腐蚀电压为0；所述判断电路(5)调整所述探头浸入信号，使所述机械装置(2)在所述控制器(12)的控制下加速向上提升所述待加工探头，使该待加工探头远离所述腐蚀液。

4.如权利要求1所述探头加工设备，其特征在于，所述机械装置(2)包括驱动器(21)、电动机(22)、联轴器(23)、轴承(24)、滚珠丝杠(25)、螺母(26)、柔性铰链(27)、支架(28)、移动工作板(29)和探头夹具(30)，所述驱动器(21)的输入端与所述控制器(12)连接，并用于驱动所述电动机(22)；所述电动机(22)的主轴通过所述联轴器(23)与所述滚珠丝杠(25)的固定端固定连接；该滚珠丝杠(25)通过所述轴承(24)固定在所述支架(28)上；所述螺母(26)固定在所述滚珠丝杠(25)上，所述移动工作板(29)通过所述柔性铰链(27)与该螺母(26)固定连接；所述移动工作板(29)上还固定连接着所述探头夹具(30)，该探头夹具(30)用于夹持所述待加工探头。

5.如权利要求4所述探头加工设备，其特征在于，所述轴承(24)包括位于所述滚珠丝杠(25)上端的上轴承和位于所述滚珠丝杠(25)下端的下轴承；所述上轴承为固定式轴承，所述下轴承为游动式轴承。

6.如权利要求4所述探头加工设备，其特征在于，所述探头夹具(30)包括排针和排母，所述排针固定在所述移动工作板(29)上，所述待加工探头安装在所述排母上。

7.如权利要求1所述探头加工设备，其特征在于，所述腐蚀液装置的电极是采用待加工探头作为阳极。

8.如权利要求1－7任意一项所述探头加工设备，其特征在于，所述控制器(12)还与计时器相连，用于计算待加工探头的腐蚀时间。

9.如权利要求1－8任意一项所述探头加工设备，其特征在于，当所述待加工探头浸入所述腐蚀液至预先设定的深度时，所述计时器开始计时；当所述待加工探头脱离所述腐蚀液时，所述计时器停止计时。