[發明專利]面向微結構制造具有力反饋控制的微探針刻劃加工方法

有效

• 申請號: 201210066835.8
• 申請日: 2012-03-14
• 公開（公告）號: CN102583229A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 閆永達;胡振江;趙學森;周起琛;孫濤;董申
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于微納結構加工技術領域，特別是一種具有力反饋控制的微探針刻劃加工方法。

背景技術

基于機械去除的加工技術由于具有加工設備簡單、可以加工復雜三維乃至曲面微結構、低成本加工等特點而得到廣泛研究。例如采用超精密金剛石車削加工技術已經可以進行復雜表面形狀精密結構的加工。然而隨著加工結構減小到微米尺度，受到刀具尺寸以及機床部件制造精度的限制，采用傳統超精密機床很難加工出高精度的微結構。與此同時，基于原子力顯微鏡微探針的納米機械刻劃技術被廣泛的用在納米結構的制造領域。兩種加工技術采用相同的機械去除原理，但是采用AFM微探針的加工精度和加工尺度可以容易以及經濟的達到納米量級，并且已經實現三維納米結構的加工制作。兩種方法的根本差別在于：傳統的切削加工系統的特點為刀具是剛性的、依靠刀具與工件的相互運動精度保證加工結構的精度和尺寸。因此隨著機床精度的進一步提高，機床的成本也急劇提高，并且機床精度的提高很大程度上還受到現有制造、裝配的技術水平的限制。因此人們也一直在探尋新的可以進一步提高加工精度的方法。另外一方面，基于AFM微探針的納米機械加工是依靠一個柔軟的微懸臂梁帶動探針接觸工件表面，依靠微懸臂的彎曲施加在表面上一個恒定力，保證在機械刻劃過程中AFM微探針能夠實時跟蹤工件表面。對于AFM系統來講，工件表面為零點參照坐標系。在這樣的系統中，其裝置誤差對加工過程的影響較小。因此，在實現采用傳統機床很難實現表面上納米尺度溝槽和復雜微結構的加工，尤其是在傾斜的表面上或者曲面上加工微結構具有很大的優勢。然而目前對于采用AFM系統進行納米機械刻劃加工存在兩個問題：（1）加工范圍小、加工效率較低。目前AFM系統適合加工數十個微米尺度的結構，而當尺度擴展到毫米尺度時，由于探針的磨損、加工的速度等因素導致目前的這種技術的加工效率很低。（2）AFM微懸臂可以施加到表面上的最大載荷為數百微牛，加工結構的深度較小。目前不能夠滿足微光學、MEMS等領域廣泛采用的微米尺度溝槽等復雜微結構的現實需求。

發明內容

本發明的目的是提供一種面向微結構制造具有力反饋控制的微探針刻劃加工方法，該加工方法可以實現低成本、高精度、微米尺度溝槽等復雜微結構的加工。

本發明的加工方法明顯區別于傳統的超精密加工設備，很容易實現表面逼近，實現工件表面零點定位。同時，在微力驅動下，通過精確控制作用力可以得到更高精度的微納米加工能力。此外，本發明的加工方法還具備跟隨工件表面的加工能力，方便實現曲面上的微結構加工。

實現上述目的的技術方案是：

面向微結構制造具有力反饋控制的微探針刻劃加工方法，所述的加工方法由下述步驟實現：

步驟一：微探針刀具的自動逼近工件表面過程；

先將工件放置于X-Y向精密工作臺上，根據所設定的力初值，簡稱設定值，使微探針刀具自動逼近工件表面并維持一個恒定的力F，該恒定的力F的初值為5-20mN，具體逼近工件表面過程如下：開始，Z向粗動工作臺先向下移動的距離A=5-18μm，然后壓電陶瓷驅動Z向微動工作臺向下移動的距離B=6-20μm，在Z向微動工作臺移動過程中檢測力傳感器的值，如果達到設定值，則認為微探針刀具與工件表面接觸；如果沒有達到設定值，則Z向微動工作臺向上回至零位，之后，Z向粗動工作臺向下繼續移動5-18μm，重復上述過程，直至實現微探針刀具與工件表面的接觸；執行過程中必須保證A<B，以保證在Z向粗動工作臺向下移動A后，Z向微動工作臺具有足夠的空間B探測工件表面，A值越小，自動逼近過程越慢，A值越大，自動逼近過程越快，B根據A值確定，滿足A<B即可；

步驟二：恒力條件下的刻劃加工；

當微探針刀具與工件表面接觸后，開始刻劃加工，啟動力閉環控制模塊，Z向微動工作臺上下移動，設置比例增益Kp參數范圍為15000-50000、積分增益Ki參數范圍為20000-40000，實現垂直力的實時閉環控制，垂直方向力的范圍為15-500mN，同時，X-Y向精密工作臺帶動工件做精密移動，實現微溝槽結構的加工，加工的微溝槽長度為1-6mm，微溝槽深度為0.5-5μm，移動速度為0.01-0.1mm/s；

步驟三：加工完成退刀過程；

微溝槽結構加工好后，力閉環控制結束，微探針刀具由Z向粗動工作臺帶動以25mm/s的速度向上移動脫離工件表面，加工結束。