利用三棱錐微探針軌跡運動加工微結構的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于微納米結構加工領域，涉及一種基于AFM探針相同刻劃方向機械加工復雜納米結構的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]微小型化技術很大程度上推動了微納米領域的研宄，而且廣泛應用于很多工業領域，如信息技術、醫療、生物化學以及汽車等等。為滿足微小零部件和微小結構所需的尺寸要求，相應的微納米加工技術發展迅速。目前，微納米加工技術主要包括:微切削加工技術、微電火花加工技術以及刻蝕加工技術。其中微切削加工技術因其具有加工系統靈活性高，加工材料范圍廣等優點而被學者們廣泛研宄。
[0003]在微切削加工技術中微銑削加工最為適合加工三維微結構，但隨著加工結構的尺寸逐漸減小，微銑削只能通過減小刀具的尺寸來滿足要求。目前，有學者通過砂輪磨削可加工出直徑50微米左右的微銑刀，采用聚焦離子束能夠加工最小20微米直徑的微銑刀。由于銑削是刀具的回轉加工，因此刀具的直徑減小使得為達到足夠的切削線速度，主軸的轉速就需要非常高，這對主軸的動態特性要求非常高，增加了實驗設備的成本。而且微銑刀直徑尺寸的減小降低了刀具的強度，使得在加工過程中刀具破損的概率增加。
[0004]原子力顯微鏡(AFM)是依靠針尖與樣品間的作用力來進行工作的，在力小的時候用來檢測，而在力大的時候可以用來加工。由于AFM的探針很小(針尖圓弧半徑大約幾十納米)，施加的力也很小，故可以加工出更小的結構。通過控制微懸臂的彎曲程度來控制針尖-樣品間的加工力，可以在工件表面加工得到準三維結構。但由于其依靠力控制加工的特點，使得加工結構的深度不可確定；而且受探針微懸臂彎曲程度的限制，可施加的作用力變化范圍也不是很大。
[0005]目前，采用機械去除的方法加工微結構的技術手段中，能加工出微結構的尺寸在幾微米到一百微米，尚且沒有一種較為成熟的加工技術。減小微銑削的加工尺寸，或者增大基于原子力顯微鏡加工的加工尺寸都會引入新的技術難題，并且增加了實驗設備的成本。因此，一種新的加工方法亟需提出來填補這一加工空缺。此外，在利用微銑削加工具有延展性良好的金屬樣件時，往往會在加工結構的邊緣產生毛刺，這直接影響工件的加工精度以及表面質量，而去毛刺過程不但復雜又會降低加工效率。因此，對于減少毛刺在加工過程中的產生的研宄是十分有意義的。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是提供一種利用三棱錐微探針軌跡運動加工微結構的裝置及方法，實現在金屬樣品表面上加工出尺寸變化在十微米到一百微米范圍內的微結構，并且微結構的邊緣有較少的毛刺生成。
[0007]為實現上述目的，本發明采取以下技術方案:
一種利用三棱錐微探針軌跡運動加工微結構的裝置，包括支座、z向粗動定位臺、三維壓電位移臺、三棱錐微探針、光學顯微鏡、二維調平臺、二維工作臺，其中:二維工作臺固定在支座上，二維調平臺固定在二維工作臺，三棱錐微探針位于二維調平臺上方并與三維壓電位移臺剛性連接，三維壓電位移臺與Z向粗動定位臺連接，光學顯微鏡固定在支座上，用于觀測三棱錐微探針與金屬樣品間的距離。
[0008]一種利用上述裝置加工微結構的方法，包括如下步驟:
步驟一、三維壓電位移臺帶動三棱錐探針旋轉運動:
選取三維壓電位移臺作為加工的驅動元件，將三棱錐探針通過轉接件剛性連接在三維壓電位移臺上，組成刀具運動模塊。通過對三維壓電位移臺的水平軸(X軸和I軸)施加兩路異相的正弦激勵信號，使得每個水平軸做往復地簡諧運動，而兩個軸的合運動使得三維壓電位移臺在水平面內做圓周公轉，從而帶動三棱錐探針運動。通過對三維壓電位移臺的豎直軸(Z軸)施加階躍信號，能夠使得三維壓電位移臺在豎直方向上來回伸縮，這不但可以帶動三棱錐探針逼近金屬樣品表面，還可以改變加工的微結構的加工深度。三棱錐探針的圓周半徑為5-10 μ m，旋轉的頻率10-20HZ。
[0009]步驟二、三棱錐探針與金屬樣品表面的接觸:
采用z向粗動位移臺帶動刀具運動模塊向金屬樣品表面粗逼近，通過光學顯微鏡觀察三棱錐探針與金屬樣品間的距離，當三棱錐探針-金屬樣品間的距離達到三維壓電位移臺的數值伸縮范圍內時，改用三維壓電位移臺的z軸伸長帶動三棱錐探針微逼近金屬樣品表面，從而完成三棱錐探針與金屬樣品的接觸。
[0010]步驟三、三棱錐探針朝向與二維工作臺進給方向的確定:
由于三棱錐探針的幾何形狀是非對稱的，這就使得在其繞某一點旋轉的過程中，沿不同的進給方向，運動的軌跡是不一樣的，從而造成材料不同的去除方式，影響著加工的結果。因此，在加工前需要對三棱錐探針相對于二維工作臺運動方向的朝向進行確定。用三棱錐探針對金屬樣品進行壓印，在金屬樣品表面留下三角形的壓痕，隨后二維工作臺移動一定的距離，用同樣的方式在金屬樣品表面做壓印。在光學顯微鏡下觀察兩個位置的壓痕，確定三棱錐探針相對于二維工作臺運動方向的朝向。
[0011]步驟四、金屬樣品表面的調平:
由于是剛性加工，為保證加工的微結構深度一致，故需要消除金屬樣品表面的傾斜。通過記錄三棱錐探針在不同位置與金屬樣品表面接觸后三維壓電位移臺的伸縮量，檢測金屬樣品表面的傾斜性。采用二維調平臺沿水平二維方向調整金屬樣品表面，使得在不同位置三棱錐探針-金屬樣品接觸時，三維壓電位移臺的伸縮量一致，從而保證了金屬樣品表面的水平。
[0012]步驟五、配合二維工作臺進給運動加工微結構:
待旋轉地三棱錐探針與金屬樣品接觸后，讓三維壓電位移臺向下伸縮來達到預定的加工深度，此時控制二維工作臺帶動金屬樣品運動開始加工微結構。二維工作臺沿一個方向運動時，加工出的是微通道結構，微通道的寬為探針的旋轉半徑。當三棱錐探針的朝向和旋轉方向確定以后，由于三棱錐的非對稱幾何形狀二維工作臺沿X+，X-，y+，y-四個方向分別進給，可獲得四種不同輪廓的微通道。二維工作臺聯合運動時，可加工出平面結構，同時，增加三棱錐探針z向的位移可加工得到帶有深度變化的微結構。
[0013]本發明具有如下優點: 1、能夠加工出尺寸變化范圍在幾微米到上百微米內的微結構，采用位移控制加工故加工深度可控。
[0014]2、通過采用幾何非對稱的三棱錐探針進行圓周公轉軌跡運動，可以使得在每一次的旋轉切削中刀具的前角不斷變化，控制確定的進給方向進行加工，能夠在金屬樣品表面加工得到毛刺較小的微結構。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明所述的基于微探針圓周軌跡運動進行機械加工的裝置的結構示意圖；
圖2為本發明所述三棱錐針尖加工的圓周軌跡以及按四種不同方向進給的示意圖；
圖3為本發明加工三維微結構時工作臺進給軌跡的示意圖；
圖中:l-z向粗動定位臺、2-三維壓電位移臺、3-三棱錐微探針、4-光學顯微鏡、5-金屬樣品，6- 二維調平臺、7- 二維工作臺，8-三角形壓痕的某一條邊，9-三棱錐針尖最外輪廓覆蓋的軌跡(即加工軌跡)，10-針尖尖端頂點的運動軌跡。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的保護范圍中。
[0017]如圖1所示，本發明提供的基于微探針軌跡運動的加工裝置包括支座、z向粗動定位臺1、三維壓電位移臺2、三棱錐微探針3、光學顯微鏡4、二維調平臺6、二維工作臺7，其中:二維工作臺7由X向移動臺和y向移動臺垂直安裝組成，X向移動臺固定在支座上，二維調平臺6固定在y向移動臺上，三棱錐微探針3位于二維調平臺6上方并與三維壓電位移臺2剛性連接，三維壓電位移臺2與z向粗動定位臺I連接，光學顯微鏡4固定在支座上，用于觀測三棱錐微探針3與金屬樣品5間的距離。
[0018]利用上述加工裝置進行微結構加工的方法，具體步驟如下:
步驟一、針尖逼近樣品表面:
選取三棱錐針尖用來做壓印的探針，針尖的面角為35°，三條棱邊的刃口半徑小于40nm。將三棱錐微探針3與三維壓電位移臺2剛性連接，并一起與z向粗動定位臺I相連接，三維壓電位移臺2三個方向閉環行程為100 μ m，分辨率為7nm，重復定位精度為30nm。控制z向粗動定位臺I帶動三維壓電位移臺2向下移動逼近金屬樣品5表面，z向粗動定位臺I的行程100mm，重復定位精度5 μπι。通過光學顯微鏡4觀測三棱錐微探針3與金屬樣品5間的距離，當兩者間的距離在三維壓電位移臺2的運動行程內后，停止ζ向粗動定位臺I向下移動，改用三維壓電位移臺2以10nm的位移量逐步向下移動，同時二維工作臺7沿一個方向移動，當通過光學顯微鏡4看