[發(fā)明專利]利用三棱錐微探針軌跡運(yùn)動(dòng)加工微結(jié)構(gòu)的裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410813219.3
• 申請(qǐng)日: 2014-12-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104528632A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 閆永達(dá);薛勃;趙學(xué)森;胡振江
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): B81C1/00
• 分類號(hào): B81C1/00
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

1.一種利用三棱錐微探針軌跡運(yùn)動(dòng)加工微結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述裝置由支座、z向粗動(dòng)定位臺(tái)、三維壓電位移臺(tái)、三棱錐微探針、光學(xué)顯微鏡、二維調(diào)平臺(tái)和二維工作臺(tái)構(gòu)成，其中：二維工作臺(tái)固定在支座上，二維調(diào)平臺(tái)固定在二維工作臺(tái)，三棱錐微探針位于二維調(diào)平臺(tái)上方并與三維壓電位移臺(tái)剛性連接，三維壓電位移臺(tái)與z向粗動(dòng)定位臺(tái)連接，光學(xué)顯微鏡固定在支座上，用于觀測(cè)三棱錐微探針與金屬樣品間的距離。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用三棱錐微探針軌跡運(yùn)動(dòng)加工微結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述二維工作臺(tái)由x向移動(dòng)臺(tái)和y向移動(dòng)臺(tái)垂直安裝組成，x向移動(dòng)臺(tái)固定在支座上，二維調(diào)平臺(tái)固定在y向移動(dòng)臺(tái)上。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用三棱錐微探針軌跡運(yùn)動(dòng)加工微結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述三棱錐探針通過(guò)轉(zhuǎn)接件剛性連接在三維壓電位移臺(tái)上。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用三棱錐微探針軌跡運(yùn)動(dòng)加工微結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述三棱錐探針的面角為35o，三條棱邊的刃口半徑小于40nm。

5.一種利用權(quán)利要求1-4任一權(quán)利要求所述利用三棱錐微探針軌跡運(yùn)動(dòng)加工微結(jié)構(gòu)的裝置加工微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述方法步驟如下：

步驟一、三維壓電位移臺(tái)帶動(dòng)三棱錐探針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：

選取三維壓電位移臺(tái)作為加工的驅(qū)動(dòng)元件，將三棱錐探針連接在三維壓電位移臺(tái)上，組成刀具運(yùn)動(dòng)模塊；通過(guò)對(duì)三維壓電位移臺(tái)的水平軸施加兩路異相的正弦激勵(lì)信號(hào)，使得每個(gè)水平軸做往復(fù)地簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，而兩個(gè)軸的合運(yùn)動(dòng)使得三維壓電位移臺(tái)在水平面內(nèi)做圓周公轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)三棱錐探針運(yùn)動(dòng)；通過(guò)對(duì)三維壓電位移臺(tái)的豎直軸施加階躍信號(hào)，使得三維壓電位移臺(tái)在豎直方向上來(lái)回伸縮；

步驟二、三棱錐探針與金屬樣品表面的接觸：

采用z向粗動(dòng)位移臺(tái)帶動(dòng)刀具運(yùn)動(dòng)模塊向金屬樣品表面粗逼近，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察三棱錐探針與金屬樣品間的距離，當(dāng)三棱錐探針-金屬樣品間的距離達(dá)到三維壓電位移臺(tái)的數(shù)值伸縮范圍內(nèi)時(shí)，改用三維壓電位移臺(tái)的z軸伸長(zhǎng)帶動(dòng)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；

步驟三、三棱錐探針朝向與二維工作臺(tái)進(jìn)給方向的確定：

用三棱錐探針對(duì)金屬樣品進(jìn)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(tái)移動(dòng)一定的距離，用同樣的方式在金屬樣品表面做壓印；在光學(xué)顯微鏡下觀察兩個(gè)位置的壓痕，確定三棱錐探針相對(duì)于二維工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向的朝向；

步驟四、金屬樣品表面的調(diào)平：

采用二維調(diào)平臺(tái)沿水平二維方向調(diào)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(shí)，三維壓電位移臺(tái)的伸縮量一致，從而保證金屬樣品表面的水平；

步驟五、配合二維工作臺(tái)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)加工微結(jié)構(gòu)：

待旋轉(zhuǎn)地三棱錐探針與金屬樣品接觸后，讓三維壓電位移臺(tái)向下伸縮來(lái)達(dá)到預(yù)定的加工深度，此時(shí)控制二維工作臺(tái)帶動(dòng)金屬樣品運(yùn)動(dòng)開(kāi)始加工微結(jié)構(gòu)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用三棱錐微探針軌跡運(yùn)動(dòng)加工微結(jié)構(gòu)的裝置加工微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述三棱錐探針的圓周半徑為5-10μm，旋轉(zhuǎn)的頻率10-20Hz。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用三棱錐微探針軌跡運(yùn)動(dòng)加工微結(jié)構(gòu)的裝置加工微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述三維壓電位移臺(tái)三個(gè)方向閉環(huán)行程為100μm，分辨率為7nm，重復(fù)定位精度為30nm。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用三棱錐微探針軌跡運(yùn)動(dòng)加工微結(jié)構(gòu)的裝置加工微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述z向粗動(dòng)定位臺(tái)1的行程100mm，重復(fù)定位精度5μm。