[發明專利]基于力位控制的復雜曲面微納結構加工的實驗裝置及方法

在審

• 申請號: 201911263159.1
• 申請日: 2019-12-11
• 公開（公告）號: CN110963459A
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發明（設計）人: 萬珍平;唐鵬;董柳杰;王煒;馮俊元
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;B81C99/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 梁睦宇

1.基于力位控制的復雜曲面微納結構加工的實驗裝置，其特征在于：包括基板、調平臺、樣品夾具、金剛石探針、力傳感器、Z向精密納米位移平臺、Z向微位移平臺、Y向微位移平臺和X向微位移平臺；所述樣品夾具通過調平臺安裝于基板上，所述X向微位移平臺安裝于基板上，所述Y向微位移平臺安裝于X向微位移平臺，所述Z向微位移平臺安裝于Y向微位移平臺，所述Z向精密納米位移平臺通過力傳感器安裝于Z向微位移平臺，所述金剛石探針通過探針夾具安裝于Z向精密納米位移平臺，且所述金剛石探針位于樣品夾具的上方。

2.根據權利要求1所述的基于力位控制的復雜曲面微納結構加工的實驗裝置，其特征在于：所述金剛石探針包括刀柄和金剛石制成的刀刃，所述刀刃固定于刀柄的一端，所述刀柄的另一端安裝于Z向精密納米位移平臺。

3.根據權利要求2所述的基于力位控制的復雜曲面微納結構加工的實驗裝置，其特征在于：所述刀刃呈三棱錐狀或四棱錐狀。

4.根據權利要求1所述的基于力位控制的復雜曲面微納結構加工的實驗裝置，其特征在于：所述X向微位移平臺通過墊塊安裝于基板上。

5.根據權利要求1所述的基于力位控制的復雜曲面微納結構加工的實驗裝置，其特征在于：所述樣品夾具包括夾具本體、夾具擋塊和預緊螺栓，所述夾具本體設有與調平臺連接的連接孔，所述夾具本體的一端設有用于放置樣品的夾緊槽，所述夾具擋塊通過預緊螺栓與夾具本體的一端連接。

6.根據權利要求1所述的基于力位控制的復雜曲面微納結構加工的實驗裝置，其特征在于：所述調平臺包括支撐架、支撐板、載物板、X軸調平螺栓和Y軸調平螺栓，所述支撐架的下端安裝于基板，所述支撐板固定于支撐架的上端，所述載物板通過X軸調平螺栓和Y軸調平螺栓安裝于支撐板的上方。

7.一種基于權利要求1～6任意一項所述的基于力位控制的復雜曲面微納結構加工的實驗裝置的實驗方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)試驗樣品固定：將試驗樣品固定于樣品夾具，再通過調平臺調整試驗樣品的水平度；

2)對刀操作：將金剛石探針安裝在探針夾具后，通過X向微位移平臺和Y向微位移平臺將金剛石探針移動至試驗樣品上方，再通過Z向微位移平臺實現金剛石探針在Z方向的宏運動，接著使用光學顯微鏡對金剛石探針的針頭和試驗樣品表面的距離進行觀察；當金剛石探針的針頭即將接觸到試驗樣品的上表面時，再通過Z向精密納米位移平臺以一定的速度逼近試驗樣品上表面；力傳感器檢測金剛石探針與試驗樣品表面的法向力，當力傳感器檢測到力信號發生階躍變化時，金剛石探針與試驗樣品的上表面發生接觸，記錄下此時金剛石探針的Z軸位置，完成對刀操作；

3)試驗樣品的預加載：當金剛石探針下落到步驟2)時的對刀位置時，繼續操作Z向精密納米位移平臺，令金剛石探針進一步的向下運動，控制金剛石探針壓入試驗樣品表面的一定深度完成試驗樣品的預加載；

4)刻劃加工：控制X向微位移平臺和Y向微位移平臺的進給速度和進給距離，加工出平面的微納結構；

5)力位控制加工：基于力傳感器的力信號，即所述金剛石探針與試驗樣品的法向載荷，計算機根據力傳感器送達的力信號控制Z向精密納米位移平臺上下移動，根據力信號的變化來改變金剛石探針在Z向的絕對位置，使得金剛石探針對試驗樣品的刻劃深度保持相對恒定，實現加工深度恒定的微納結構；

6)卸載及退刀：完成微納結構加工后，Z向精密納米位移平臺以一定的速度緩慢上移，帶動金剛石探針離開試驗樣品的上表面，完成卸載；然后Z向微位移平臺上移，以使金剛石探針遠離試驗樣品上表面至一定的安全高度，從而完成退刀。

8.根據權利要求7所述的基于力位控制的復雜曲面微納結構加工的實驗裝置的實驗方法，其特征在于：在步驟2)中，Z向精密納米位移平臺帶動金剛石探針逼近試驗樣品的速度為0.1nm/s～100nm/s。