[發明專利]利用三棱錐微探針軌跡運動加工微結構的裝置及方法

有效

• 申請號: 201410813219.3
• 申請日: 2014-12-24
• 公開（公告）號: CN104528632A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 閆永達;薛勃;趙學森;胡振江
• 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: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

技術領域

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

微小型化技術很大程度上推動了微納米領域的研究，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究。

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。

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?。ㄡ樇鈭A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。

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究是十分有意義的。

發明內容

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。

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。

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y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5-10μm，旋轉的頻率10-20Hz。

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。

步驟三、三棱錐探針朝向與二維工作臺進給方向的確定：