CN107188116A - 一种基于相位反馈的超声afm闭环纳米加工装置和方法 - Google Patents

一种基于相位反馈的超声afm闭环纳米加工装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于相位反馈的超声AFM闭环纳米加工装置，包括：AFM系统以及与其连接的超声辅助系统、相位反馈系统，所述超声辅助系统与相位反馈系统连接；方法包括：人机交互界面根据设定的加工深度确定相位差设定值，相位差设定值与相位差检测反馈值输入至PID控制器，PID控制器输出控制信号、光电传感器输出的悬臂梁偏转信号输入至电压加法器，相加后输出至AFM控制器控制探针的加工的深度。本发明通过实时监测悬臂梁的相位值，最终能够实现加工深度信息的实时检测。

Description

一种基于相位反馈的超声AFM闭环纳米加工装置和方法
技术领域
本发明涉及一种新型的基于相位反馈的纳米级别闭环控制加工技术，具体地说是一种基于超声辅助原子力显微镜(AFM)技术的新型加工模式-基于相位反馈的闭环控制模式的加工装置和方法。主要用于需要纳米级的加工领域，包括材料、生命科学等各个领域。
背景技术
目前，原子力显微镜(atomic force microscope:AFM)是利用扫描探针技术在原子尺度下进行纳米加工、制造和成像的新型技术，其最大的特点是灵活性高、可控性好、操作便捷、成本低，可以实现在真空、气体和液体环境中的高分辨率成像和操作。然而，传统AFM加工技术存在着针尖磨损严重、加工效率低、“盲加工”、“过加工/欠加工”和无法实现任务空间的深度闭环控制等问题。超声辅助AFM加工技术的出现在一定程度上克服了传统AFM存在的问题，因此超声辅助AFM加工技术受到了极大的关注。超声辅助AFM借鉴了宏观超声切削的原理，利用样品下面的超声振动器产生高频振动，在加工过程中带动悬臂梁产生同频的受迫振动。样品振动的方式不会因为加工力的增加而导致超声振幅的衰减，因此超声振动的效应不会被减弱。在针尖以超声振动的频率作用于样品表面时，针尖与样品的接触是断续的，大大减小了接触时间，更减小了横向的相对运动，这使得横向摩擦力急剧减小，从而极大地减小了针尖磨损。此外，断续的加工过程摆脱了传统AFM加工的“犁沟”模式，提高了加工的效果。在高频振动下AFM悬臂梁的动态等效硬度会增加，超声导致的冲击力也会导致加工力的增加，增加了被加工材料更容易发生塑性形变，提高了加工的效果和效率。
现有超声辅助AFM加工方法通过控制悬臂梁偏转、超声振幅和超声频率等参数来对加工深度进行控制。但是仍然存在着“盲加工”、“过加工/欠加工”和无法实现任务空间的深度闭环控制问题。比如，加工前只能根据经验和估计来设定加工的参数，在加工过程中也无法实时检测加工的深度和状态，更无法检测被加工样品材料的机械特性，只能在加工完成后更换针尖尺寸更小的探针对加工区域进行形貌成像才能获得准确的加工深度和结构。“盲加工”不仅耗费大量的后期成像时间，其加工深度的不确定性也会造成“过加工/欠加工”，严重影响加工效果和加工的成功率。由于缺乏对加工深度信息的实时检测方法，所以任务空间的深度闭环控制更是解决的难题。
发明内容
为了解决上述“盲加工”、“过加工/欠加工”和无法实现任务空间的深度闭环控制等技术难点，本发明提出了一种基于超声辅助原子力显微镜(AFM)技术的新型加工模式-基于相位反馈的闭环控制模式的加工装置和方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于相位反馈的超声AFM闭环纳米加工装置，包括：AFM系统以及与其连接的超声辅助系统、相位反馈系统，所述超声辅助系统与相位反馈系统连接；
AFM系统：用于根据相位反馈系统发出的控制信号控制探针和样品在纳米尺度下的三维相对移动，并实时将探针的悬臂梁偏转信号发送至相位反馈系统；
超声辅助系统：用于对样品施加超声振动，并将超声驱动信号发送至相位反馈系统；
相位反馈系统：用于根据超声信号和探针的悬臂梁偏转信号得到探针振动相位差，实现基于探针振动相位反馈的加工深度的闭环控制。
所述AFM系统包括AFM控制器、光电传感器、Z向纳米压电陶瓷、探针和XY纳米定位平台；所述AFM控制器的位移控制端与Z向纳米压电陶瓷、XY纳米定位平台连接、输入端与相位反馈系统连接，Z向纳米压电陶瓷与探针固定于XY纳米定位平台上方，光电传感器固定于探针上方，用于接收从探针背面反射的激光，并将探针的悬臂梁偏转信号反馈至相位反馈系统。
所述超声辅助系统包括超声驱动器以及与其连接的超声振动器；所述超声驱动器发送超声驱动信号至超声振动器、相位反馈系统；所述超声振动器固定于XY纳米定位平台上，超声振动器上设有样品。
所述相位反馈系统包括锁相放大器、人机交互界面、PID控制器和电压加法器；所述锁相放大器的输入端、参考输入端分别与光电传感器和超声驱动器连接，锁相放大器的相位差输出端与人机交互界面连接；人机交互界面输出端与PID控制器的设定值输入端连接，PID控制器的输入端与锁相放大器相位差输出端连接，PID控制器的输出端、光电传感器的输出端分别与电压加法器的两个输入端连接，电压加法器的输出端与AFM控制器输入端连接。
所述人机交互界面的位置输入端与AFM控制器的位移控制端连接，用于读取并存储加工时探针的Z位置数据和样品的XY位置数据。
一种基于相位反馈的超声AFM闭环纳米加工方法，包括以下步骤：
超声驱动器发送超声驱动信号至驱动超声振动器、锁相放大器；超声振动器带动样品振动并传递给探针，光电传感器实时将检测到的探针悬臂梁偏转信号发送给锁相放大器；
锁相放大器根据超声驱动信号和探针的悬臂梁偏转信号得到探针振动相位差，并输出至人机交互界面和PID控制器；
人机交互界面根据加工深度与探针振动相位差的关系曲线查找设定加工深度对应的相位差设定值，并发送给PID控制器；
PID控制器根据相位差设定值和探针振动相位差得到控制信号发送至电压加法器；电压加法器将探针的悬臂梁偏转信号和控制信号相加，输出Z向控制命令至AFM控制器；
AFM控制器根据输入的Z向控制命令控制Z向纳米压电陶瓷带动探针在垂直方向上运动，同时根据AFM控制器内设定的探针在水平面上的运动轨迹控制XY纳米定位平台做匀速运动，实现探针对样品加工深度的闭环控制。
所述关系曲线通过预先加工标定得到，包括以下步骤：
超声驱动器发送超声驱动信号至驱动超声振动器、锁相放大器；超声驱动器驱动超声振动器带动样品振动；
AFM控制器通过控制Z向纳米压电陶瓷带动探针向样品做直线运动，探针与样品接触时开始加工，控制XY纳米定位平台以设定方向做匀速运动，样品的超声振动传递给探针，由光电传感器检测后，发送探针悬臂梁偏转信号给锁相放大器；
锁相放大器根据超声驱动信号和探针的悬臂梁偏转信号得到探针振动相位差，并输出至人机交互界面。
人机交互界面从AFM控制器发送给XY纳米定位平台的XY控制命令中实时获取加工沟槽的XY位置信息，并存储加工沟槽的XY位置信息与锁相放大器输出的相位差的对应关系；
加工完成后，人机交互界面从样品加工区域的AFM成像获得加工沟槽的XY位置信息与加工深度的对应关系；
通过比对XY位置对应的相位差和加工深度获得深度-相位差曲线。
本发明具有以下优点：
1、本发明实现AFM加工过程中实时的加工深度信息检测。由于超声辅助AFM的超声振动源同时为超声加工过程和悬臂梁的超声振动提供能量，当振动源的能量不变时加工过程消耗能量的变化会反映到悬臂梁的振动上来。加工深度的变化会直接导致消耗能量的增加，导致悬臂梁超声振动的相位值发生变化。因此，通过实时监测悬臂梁的相位值，首次实现了加工深度信息的实时检测，为AFM加工过程提供了一项全新的检测参数。
2、本发明能够实现对加工深度的闭环控制。由于加工深度与悬臂梁振动-超声驱动信号的相位差具有特定关系，所以可以利用相位差做为反馈量对AFM系统进行控制，将加工深度控制在设定值，实现加工深度的闭环控制。通过采用闭环的加工控制策略，提高了AFM加工的精度、可控性和稳定性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的闭环加工控制流程图。
其中，1为锁相放大器，2为人机交互界面，3为超声驱动器，4为PID控制器，5为AFM控制器，6为光电传感器，7为Z向纳米压电陶瓷，8为探针，9为样品，10为超声振动器，11为XY纳米定位平台，12为电压加法器，13为探针-样品相互作用。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
一种基于相位反馈的超声辅助AFM闭环纳米加工装置，包括AFM系统：用于控制探针和样品在纳米尺度下的三维相对移动；超声辅助系统：用于对样品施加超声振动；相位反馈系统：用于实现基于探针振动相位差反馈的加工深度实时检测和闭环控制。
所述的AFM系统包括：AFM控制器分别与Z向纳米压电陶瓷和XY纳米定位平台连接，Z向纳米压电陶瓷与探针固定于XY纳米定位平台上方，光电传感器固定于探针上方，用于接收从探针背面反射的激光。
所述超声辅助系统包括超声驱动器、以及与其连接的超声振动器。
所述相位反馈系统包括：锁相放大器输入端和参考输入端分别与光电传感器和超声驱动器连接，锁相放大器的相位输出端分别与人机交互界面和PID控制器连接，PID控制器设定值输入端与人机交互界面连接，PID控制器输出端、光电传感器输出端分别与电压加法器的两个输入端连接，电压加法器的输出端与AFM控制器偏转信号输入端连接。
所述样品粘附在超声振动器上并固定在XY纳米定位平台上方。
所述一种基于相位反馈的超声辅助AFM闭环纳米加工方法包括以下步骤：
1)超声驱动器驱动超声振动器产生超声振动，并带动样品实现超声振动；
2)通过控制Z向纳米压电陶瓷带动探针向样品做直线运动，探针与样品接触时开始加工，控制XY纳米定位平台以设定方向做匀速运动，样品的超声振动传递给探针，由光电传感器检测后，发送给锁相放大器；
3)超声驱动器的超声驱动信号输入至锁相放大器的参考输入端，锁相放大器将参考信号和输入信号的相位差输出至人机交互界面进行实时显示和存储；
4)进行加工的同时，AFM控制器和锁相放大器同时将加工沟槽的XY位置信息和对应的相位差同时输入人机交互界面进行显示和存储；
5)AFM系统对样品的加工区域进行形貌成像，获得被加工沟槽的XY位置信号和对应的深度，输入至人机交互界面进行显示和存储；
6)人机交互界面通过比对步骤4)、5)获得的XY位置上对应的相位差和深度获得深度-相位差曲线；
7)根据深度-相位差曲线获得期望加工深度的对应相位差，将此相位差做为设定值发送给PID控制器；
8)重复步骤1)、2)、3)，并将超声驱动器的超声驱动信号输入至锁相放大器的参考输入端，锁相放大器将参考信号和输入信号的相位差输出至PID控制器做为反馈量，PID控制器根据设定值输出控制信号送入电压加法器，电压加法器将PID输出的控制信号和光电传感器输出的探针的悬臂梁偏转信号相加，AFM控制器根据相加后的信号对Z向纳米压电陶瓷进行控制，从而对探针对样品的加工深度实现闭环控制。
基于相位反馈的超声辅助AFM闭环纳米加工装置由AFM系统、超声辅助系统和相位反馈系统构成，其系统结构如图1所示。
其中AFM系统由AFM控制器5、光电传感器6、Z向纳米压电陶瓷7、探针8和XY纳米定位平台11构成，主要用于实现AFM的探针运动控制、样品运动控制、样品表面形貌的纳米尺度成像、纳米加工等功能；超声辅助系统由超声驱动器3和超声振动器10构成，用于对样品施加可控的纳米超声振动，实现超声辅助加工的功能；相位反馈系统由锁相放大器1、人机交互界面2、PID控制器4和电压加法器12构成，主要用于基于相位反馈的加工深度闭环控制功能。通过AFM控制系统、超声辅助系统和相位反馈系统的结合可实现基于探针振动相位反馈的加工深度实时检测和闭环控制。
基于相位反馈的超声辅助AFM闭环纳米加工方法的工作原理如图2所示。人机交互界面2根据设定的加工深度确定相位差设定值，相位差设定值与相位差检测反馈值输入至PID控制器4，PID控制器4输出控制信号、光电传感器输出的悬臂梁偏转信号分别输入至电压加法器的两个输入端，进行相加后输出至AFM控制器来控制Z向PZT驱动器7调节探针9的Z向运动，控制探针-样品相互作用13，即控制加工的深度。加工深度的变化会通过探针-样品相互作用13影响探针8的振动相位，探针8的振动相位值被光电传感器6和锁相放大器1检测出来做为反馈信号送至PID控制器4。至此，实现了基于相位反馈的加工深度闭环控制。
基于相位反馈的超声辅助AFM闭环纳米加工的具体实现方法步骤：
1)超声驱动器3驱动超声振动器10产生超声振动，并带动样品9实现超声振动；
2)通过控制Z向纳米压电陶瓷7带动探针8向样品9做直线运动，探针8与样品9接触时开始加工，控制XY纳米定位平台11以设定方向做匀速运动，样品9的超声振动传递给探针8，由光电传感器6检测后，发送给锁相放大器1；
3)超声驱动器3的超声驱动信号输入至锁相放大器1的参考输入端，锁相放大器1将参考信号和输入信号的相位差输出至人机交互界面2进行实时显示和存储；
4)进行加工的同时，AFM控制器5和锁相放大器1同时将加工沟槽的XY位置信息和对应的相位差同时输入人机交互界面2进行显示和存储；
5)AFM系统5对样品的加工区域进行形貌成像，获得被加工沟槽的XY位置信号和对应的深度，输入至人机交互界面2进行显示和存储；
6)人机交互界面2通过比对步骤4)、5)获得的XY位置上对应的相位差和深度获得深度-相位差曲线；
7)根据深度-相位差曲线获得期望加工深度的对应相位差，将此相位差做为设定值发送给PID控制器4。若期望加工深度超出深度-相位差曲线范围，可根据所得的深度-相位差曲线数据进行二阶拟合，得到一元二次方程，将期望加工深度带入方程中得到对应的相位差。或重复步骤1)至步骤6)，同时在步骤2)中增加探针8对样品9的加工深度，直至达到期望加工深度，最终也能够获得期望加工深度的对应相位差；
8)重复步骤1)、2)、3)，并将超声驱动器3的超声驱动信号输入至锁相放大器1的参考输入端，锁相放大器1将参考信号和输入信号的相位差输出至PID控制器4做为反馈量，PID控制器4根据设定值输出控制信号送入电压加法器12，电压加法器12将PID控制器4输出的控制信号和光电传感器输出的探针8的悬臂梁偏转信号相加，使从光电传感器6输出的悬臂梁偏转信号叠加了PID控制器4根据相位差反馈而输出的控制信号，AFM系统对Z向纳米压电陶瓷7的控制是根据AFM控制器5输入的偏转信号而进行调节的，所以PID控制器4利用电压加法器12将输出的控制信号叠加到悬臂梁偏转信号上，从而实现了PID控制器4对Z向纳米压电陶瓷7的控制，最终实现对样品9的加工深度实现闭环控制。

Claims (7)

1.一种基于相位反馈的超声AFM闭环纳米加工装置，其特征在于包括：AFM系统以及与其连接的超声辅助系统、相位反馈系统，所述超声辅助系统与相位反馈系统连接；
AFM系统：用于根据相位反馈系统发出的控制信号控制探针和样品在纳米尺度下的三维相对移动，并实时将探针的悬臂梁偏转信号发送至相位反馈系统；
超声辅助系统：用于对样品施加超声振动，并将超声驱动信号发送至相位反馈系统；
相位反馈系统：用于根据超声信号和探针的悬臂梁偏转信号得到探针振动相位差，实现基于探针振动相位反馈的加工深度的闭环控制。
2.按权利要求1所述的一种基于相位反馈的超声AFM闭环纳米加工装置，其特征在于所述AFM系统包括AFM控制器(5)、光电传感器(6)、Z向纳米压电陶瓷(7)、探针(8)和XY纳米定位平台(11)；所述AFM控制器(5)的位移控制端与Z向纳米压电陶瓷(7)、XY纳米定位平台(11)连接、输入端与相位反馈系统连接，Z向纳米压电陶瓷(7)与探针(8)固定于XY纳米定位平台(11)上方，光电传感器(6)固定于探针(8)上方，用于接收从探针(8)背面反射的激光，并将探针的悬臂梁偏转信号反馈至相位反馈系统。
3.按权利要求1所述的一种基于相位反馈的超声AFM闭环纳米加工装置，其特征在于：所述超声辅助系统包括超声驱动器(3)以及与其连接的超声振动器(10)；所述超声驱动器(3)发送超声驱动信号至超声振动器(10)、相位反馈系统；所述超声振动器(10)固定于XY纳米定位平台(11)上，超声振动器(10)上设有样品。
4.按权利要求1所述的一种基于相位反馈的超声AFM闭环纳米加工装置，其特征在于：所述相位反馈系统包括锁相放大器(1)、人机交互界面(2)、PID控制器(4)和电压加法器(12)；所述锁相放大器(1)的输入端、参考输入端分别与光电传感器(6)和超声驱动器(3)连接，锁相放大器(1)的相位差输出端与人机交互界面(2)连接；人机交互界面(2)输出端与PID控制器(4)的设定值输入端连接，PID控制器(4)的输入端与锁相放大器(1)相位差输出端连接，PID控制器(4)的输出端、光电传感器(6)的输出端分别与电压加法器(12)的两个输入端连接，电压加法器(12)的输出端与AFM控制器(5)输入端连接。
5.按权利要求4所述的一种基于相位反馈的超声AFM闭环纳米加工装置，其特征在于：所述人机交互界面(2)的位置输入端与AFM控制器(5)的位移控制端连接，用于读取并存储加工时探针的Z位置数据和样品的XY位置数据。
6.一种基于相位反馈的超声AFM闭环纳米加工方法，其特征在于包括以下步骤：
超声驱动器(3)发送超声驱动信号至驱动超声振动器(10)、锁相放大器(1)；超声振动器(10)带动样品(9)振动并传递给探针(8)，光电传感器(6)实时将检测到的探针悬臂梁偏转信号发送给锁相放大器(1)；
锁相放大器(1)根据超声驱动信号和探针的悬臂梁偏转信号得到探针振动相位差，并输出至人机交互界面(2)和PID控制器(4)；
人机交互界面(2)根据加工深度与探针振动相位差的关系曲线查找设定加工深度对应的相位差设定值，并发送给PID控制器(4)；
PID控制器(4)根据相位差设定值和探针振动相位差得到控制信号发送至电压加法器(12)；电压加法器(12)将探针的悬臂梁偏转信号和控制信号相加，输出Z向控制命令至AFM控制器(5)；
AFM控制器(5)根据输入的Z向控制命令控制Z向纳米压电陶瓷(7)带动探针(8)在垂直方向上运动，同时根据AFM控制器(5)内设定的探针在水平面上的运动轨迹控制XY纳米定位平台(11)做匀速运动，实现探针(8)对样品(9)加工深度的闭环控制。
7.根据权利要求6的一种基于相位反馈的超声AFM闭环纳米加工方法，其特征在于所述关系曲线通过预先加工标定得到，包括以下步骤：
超声驱动器(3)发送超声驱动信号至驱动超声振动器(10)、锁相放大器(1)；超声驱动器(3)驱动超声振动器(10)带动样品(9)振动；
AFM控制器(5)通过控制Z向纳米压电陶瓷(7)带动探针(8)向样品(9)做直线运动，探针(8)与样品(9)接触时开始加工，控制XY纳米定位平台(11)以设定方向做匀速运动，样品(9)的超声振动传递给探针(8)，由光电传感器(6)检测后，发送探针悬臂梁偏转信号给锁相放大器(1)；
锁相放大器(1)根据超声驱动信号和探针的悬臂梁偏转信号得到探针振动相位差，并输出至人机交互界面(2)；
人机交互界面(2)从AFM控制器(5)发送给XY纳米定位平台(11)的XY控制命令中实时获取加工沟槽的XY位置信息，并存储加工沟槽的XY位置信息与锁相放大器(1)输出的相位差的对应关系；
加工完成后，人机交互界面(2)从样品(9)加工区域的AFM成像获得加工沟槽的XY位置信息与加工深度的对应关系；
通过比对XY位置对应的相位差和加工深度获得深度-相位差曲线。
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