CN102718182B - 一种多点接触模式下的大面积摩擦诱导微米级加工设备 - Google Patents

Abstract

一种多点接触模式下的大面积摩擦诱导微米级加工设备，由基座、加工平台驱动装置、加载机构和数据采集及控制***组成，其中：加工平台驱动装置由水平二维电控平移台、手动三维位移台和“L”型的样品台主成；加载机构的构成则是：基座上表面的电动角位移台，力敏型的悬臂梁的固定端固定于电动角位移台的水平工作面上，探针阵列固定于悬臂梁自由端端部的下表面；激光位移传感器位于悬臂梁自由端端部的正上方；水平二维电控平移台、电动角位移台、激光位移传感器均与数据采集及控制***电连接。该设备的并且加工尺寸大，加工效率高；载荷控制精确、分布均匀，加工出的结构均匀、一致。

Description

一种多点接触模式下的大面积摩擦诱导微米级加工设备

技术领域

本发明涉及一种微米级加工设备，尤其涉及一种多点接触模式下的大面积摩擦诱导微米级加工设备。

背景技术

纳米科技开创了21世纪人类生活的新时代，其发展不仅将促使人类认知的革命，也是人类实现可持续发展的重要保证。基于其广阔的发展前景及其对国家未来经济、社会发展及国防安全的重要意义，世界各国纷纷将纳米科技的研发作为技术创新的重要驱动力，在世界范围内掀起了纳米科技的研究热潮。而纳米制造是实现纳米科技由功能原理向制造原理转化的途径，也是支撑纳米科技走向应用的基础。因此，研制新型的纳米加工设备，无论是对于高精度、低成本和高效率的创新纳米加工方法的研究实现，具有十分重要的意义。

摩擦诱导微/纳米加工技术是一种全新的加工方法，该方法通过机械刻划就可在单晶硅、石英、玻璃等材料表面直接加工凸结构。此外，刻划区域或纳米凸结构经过KOH溶液腐蚀后，会形成更深的凹结构或更高的凸结构。以微/纳米制造领域中最重要的材料单晶硅为例，其表面经过刻划后，摩擦区域的材料发生了机械变形和摩擦化学反应。在后续的KOH溶液腐蚀过程中，摩擦区域具有抗KOH腐蚀的作用，从而不被腐蚀而形成一定高度的微/纳米结构。该方法不依赖外加掩模板及繁琐的加工流程，加工过程中不需要控制湿度，真空度等环境因素。显然，该技术具有加工成本低、技术简单、易于推广等优势，是一种极具潜力的微/纳米加工方法。

目前，摩擦诱导微/纳米加工技术主要由扫描探针显微镜完成，该设备只能在单探针模式下工作，严重限制了其加工效率。而且加工速度慢，效率较低，而且其加工范围一般不能超过一百微米，很难达到批量化生产要求，阻碍了摩擦诱导微/纳米加工技术的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种多点接触模式下的大面积摩擦诱导微米级加工设备，该设备既可以在单探针模式下进行，也可以在多探针模式下进行，加工尺寸大，加工效率高；且其载荷控制精确、分布均匀，加工出的结构均匀、一致。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种多点接触模式下的大面积摩擦诱导微米级加工设备，由基座、基座上的加工平台驱动装置、基座上的加载机构和数据采集及控制***组成，其中：

所述的加工平台驱动装置的构成是：水平二维电控平移台由螺栓固定于基座的上表面，手动三维位移台的底板通过连接板固定于水平二维电控平移台的上表面；手动三维位移台的竖板与“L”型的样品台的竖板固定连接；

所述的加载机构的构成是：电动角位移台通过凸台固定于基座的上表面，力敏型的悬臂梁的固定端螺纹固定于电动角位移台的可倾斜的水平工作面上，探针阵列固定于悬臂梁自由端端部的下表面；激光位移传感器通过支架连接于基座上，激光位移传感器位于悬臂梁自由端端部的正上方；悬臂梁的端部与加工平台驱动装置的“L”型的样品台的横板相对；

所述的水平二维电控平移台、电动角位移台、激光位移传感器均与数据采集及控制***电连接。

本发明的工作过程和原理如下：

将需加工的单晶硅、石英或玻璃薄片材料固定于样品台的横板上，通过数据采集及控制***控制水平二维电控平移台在水平面上移动，使待加工的薄片位于悬臂梁上的探针阵列的下方；再手工调节手动三维位移台使待加工的薄片精确对准悬臂梁上的探针阵列；通过数据采集及控制***控制电控角位移台向下倾斜设定的角度；手工调节手动三维位移台，使被加工薄片表面接触探针序列产生相互作用力，并通过激光位移传感器检测出悬臂梁的形变，由数据采集及控制***计算出薄片与探针序列相互作用力的大小，当达到设定载荷的时候，完成初始化工作。此后由数据采集及控制***控制水平二维电控平移台，按设定的图形轨迹进行移动，实现对载荷的精确反馈控制，完成在多点接触模式下的大面积摩擦诱导微米级扫描加工。

再对扫描加工完成后的薄片进行腐蚀，即可加工成具有特定微米级凸结构的薄片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明的探针序列可以由单探针构成，更可以由多探针构成，因此该设备可以在单探针(单点接触)模式和多探针(多点接触)模式下工作。多点接触模式下单次移动扫描过程即完成单点接触模式下的多次移动扫描过程的接触摩擦诱导，加工效率大大提高，加工成本低；并可以根据加工需求方便快捷地对探针序列的针尖个数、大小、间距进行调节，以适应不同加工尺寸、精度要求；水平二维电控平移台的移动范围最大可达50mm，移动速度可达10mm/s，大大高于扫描探针显微镜0.1mm的移动范围和0.1mm/s的移动速度。

二、悬臂梁固定于电动角位移台上，根据加工载荷大小，预先调节悬臂梁向下倾斜，可保证抵消悬臂梁受力后的向上形变，使针尖序列在刻划过程中始终与待加工薄片保持平行状态，从而保证探针序列受力均匀，使得加工出的薄片凸结构均匀一致。

三、在初始化加载过程中，激光位移传感器的激光束垂直照射在下面贴有探针阵列的高灵敏悬臂梁上，测出悬臂梁的形变，进而推算出探针序列与待加工薄片的相互作用力实现对载荷的精确控制；其载荷控制精度可高达7mN。

四、在进行摩擦诱导加工过程中由激光位移传感器实时检测载荷值，若载荷值超过预设的安全值，数据采集与控制***控制设备自动停止运转。必须由操作人员调节至正常状态才能继续工作，从而防止关键部件被损坏，提高了设备的运行可靠性。

五、该设备对微米级加工不受环境湿度、温度等外界因素的影响，更不需要高真空等苛刻环境，大幅降低了操作难度和加工成本。并且不依赖于材料和探针阵列的导电性，大幅拓宽了设备的适用范围。

上述的水平二维电控平移台由两个相互垂直的电控平移台重叠连接构成。

这种二维电控平移台结构简单，控制方便精确，最小位移步长可达0.625μm，最大位移范围可达50mm，最大承载10kg，最大移动速度可达10mm/s。

上述的激光位移传感器通过支架连接于基座上的具体方式是：支架的下端部固定于带开关的磁性表座上，磁性表座置于基座上。

通过磁性表座及支架，既可以牢固的将激光位移传感器固定在设定的位置，同时关闭磁性表座的开关又可以方便的将激光位移传感器及其支架从基座上取下和移动。

上述的力敏型的悬臂梁的具体构成是：悬臂梁的自由端为一个双悬臂的四边形结构，上、下悬臂的中间区域挖空，且左、右端部附近部位的纵向中部挖空，前后未挖空处开槽，开槽的最薄处厚度为0.10-0.20mm；下悬臂还支出形成8-15mm×8-15mm大小的薄片，探针阵列固定于该薄片的下表面。

这种结构使得悬臂梁的弹性系数低，对力敏感，配合激光位移传感器能够反映出低至7mN载荷变化，保证了本发明的载荷施加精度。

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例的主视结构示意图。

图2A是本发明实施例的悬臂梁6的俯视放大结构示意图。

图2B是图2的A-A剖视图。

图3A是本发明实施例的加工设备在单点接触模式下对硅(100)单晶片进行面扫描所得纳米结构的部分三维形貌图。

图3B是图3A的剖面轮廓图。

图4A是本发明实施例的加工设备在双探针模式下对硅(100)单晶片进行面扫描所得纳米结构的部分三维形貌图。

图4B是图4A的剖面轮廓图。

图5A是本发明实施例的加工设备在单探针模式下对硅(100)单晶片进行线扫描所得交叉纳米线结构的部分三维形貌图，

图5B是图5A的剖面轮廓图。

具体实施方式

实施例

图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种多点接触模式下的大面积摩擦诱导微米级加工设备，由基座12、基座12上的加工平台驱动装置、基座12上的加载机构和数据采集及控制***组成，其中：

所述的加工平台驱动装置的构成是：水平二维电控平移台1由螺栓固定于基座12的上表面，手动三维位移台3的底板通过连接板2固定于水平二维电控平移台1的上表面；手动三维位移台3的竖板与“L”型的样品台4的竖板固定连接；

所述的加载机构的构成是：电动角位移台9通过凸台10固定于基座12的上表面，力敏型的悬臂梁6的固定端螺纹固定于电动角位移台9的可倾斜的水平工作面上，探针阵列11固定于悬臂梁6自由端端部的下表面；激光位移传感器5通过支架7连接于基座12上，激光位移传感器5位于悬臂梁6自由端端部的正上方；悬臂梁6的端部与加工平台驱动装置的“L”型的样品台4的横板相对；

所述的水平二维电控平移台1、电动角位移台9、激光位移传感器5均与数据采集及控制***电连接。

本例的水平二维电控平移台1由两个相互垂直的电控平移台重叠连接构成。

本例的激光位移传感器5通过支架7连接于基座12上的具体方式是：支架7的下端部固定于带开关的磁性表座8上，磁性表座8置于基座12上。

本发明采用的电控平移台可以是现有的各种微米精度的电控平移台，如北京卓立汉光公司生产的型号为TSA50-C电控平移台；采用的手动三维位移台可以是现有的微米精度的各种手动三维位移台，如北京卓立汉光公司生产的型号为TSMW25R-XYZ-1AL整体式多轴位移台；采用的电控角位移台同样可以是现有的各种微米精度的电控角位移台，如北京卓立汉光公司生产的型号为TSAG10-W电控角位移台。

图2A、图2B示出，本例的力敏型的悬臂梁6的具体构成是：悬臂梁6的自由端为一个双悬臂的四边形结构，上、下悬臂的中间区域6D挖空，且左、右端部附近部位的纵向中部6C挖空，前后未挖空处开槽，开槽的最薄处6A厚度为0.10-0.20mm；下悬臂还支出形成8-15mm×8-15mm大小的薄片，探针阵列11固定于该薄片6B的下表面。

本发明采用的探针阵列11为基底上固定多个曲率半径为500nm～250μm、材质为钢、陶瓷、氮化硅的微球探针组成。

采用以上本例的设备进行的三次具体加工的结果如下：

图3A是本发明实施例的加工设备在单探针模式下对硅(100)单晶片进行面扫描所得纳米结构的部分三维形貌图，图3B是所加工结构的剖面轮廓图。其加工试验的针尖的曲率半径为200μm，试验参数为：载荷F_n＝250mN，转角θ＝0°，刻划速度v＝300μm/s，次数为一次，扫描区域为400μm×400μm。

由图3A、图3B可知面结构的大小为400μm×400μm，高度为60nm，与试验参数设定相符。

图4A是本发明实施例的加工设备在双探针模式下对硅(100)单晶片进行面扫描所得纳米结构的部分三维形貌图，图4B是所加工结构的剖面轮廓图。本试验的针尖曲率半径为200μm，试验参数为：载荷F_n＝600mN，转角θ＝90°，刻划速度v＝300μm/s，次数为一次，扫描区域为250μm×300μm。

由图4A、图4B可知加工区域形成了两个面***结构，两个面***形状尺寸一致，高度都是130nm，长度为300μm，宽度为250μm。这说明在刻划过程中，多探针阵列与硅表面保持平行，所以每个探针与硅表面的接触压力近似相等，最终得到的面***高度也一致，与试验参数设定相符，设备达到了多点接触加工效果。

图5A是本发明实施例的加工设备在单探针模式下对硅(100)单晶片进行线扫描所得交叉纳米线结构的部分三维形貌图，图5B是所加工结构的剖面轮廓图。该试验的针尖曲率半径为300μm，试验参数为：载荷F_n＝300mN，刻划速度v＝300μm/s，次数为一次，线间距为100μm。

由图5A、图5B可知交叉纳米线结构的宽度为40μm，中心距是100μm，高度为130nm，与试验参数设定相符。

上述加工试验表明，本发明能够进行单点和多点接触模式下的大面积摩擦诱导微米级加工，通过精确控制载荷、扫描范围、扫描方式，可以在单晶硅等材料表面加工出各种微米级结构。

Claims (4)

1.一种多点接触模式下的大面积摩擦诱导微米级加工设备，由基座(12)、基座(12)上的加工平台驱动装置、基座(12)上的加载机构和数据采集及控制***组成，其中：

所述的加工平台驱动装置的构成是：水平二维电控平移台(1)由螺栓固定于基座(12)的上表面，手动三维位移台(3)的底板通过连接板(2)固定于水平二维电控平移台(1)的上表面；手动三维位移台(3)的竖板与“L”型的样品台(4)的竖板固定连接；

所述的加载机构的构成是：电动角位移台(9)通过凸台(10)固定于基座(12)的上表面，力敏型的悬臂梁(6)的固定端螺纹固定于电动角位移台(9)的可倾斜的水平工作面上，探针阵列(11)固定于悬臂梁(6)自由端端部的下表面；激光位移传感器(5)通过支架(7)连接于基座(12)上，激光位移传感器(5)位于悬臂梁(6)自由端端部的正上方；悬臂梁(6)的端部与加工平台驱动装置的“L”型的样品台(4)的横板相对；

所述的水平二维电控平移台(1)、电动角位移台(9)、激光位移传感器(5)均与数据采集及控制***电连接。

2.根据权利要求1所述的一种多点接触模式下的大面积摩擦诱导微米级加工设备，其特征在于：所述的水平二维电控平移台(1)由两个相互垂直的电控平移台重叠连接构成。

3.根据权利要求1所述的一种多点接触模式下的大面积摩擦诱导微米级加工设备，其特征在于：所述的激光位移传感器(5)通过支架(7)连接于基座(12)上的具体方式是：支架(7)的下端部固定于带开关的磁性表座(8)上，磁性表座(8)置于基座(12)上。

4.根据权利要求1所述的一种多点接触模式下的大面积摩擦诱导微米级加工设备，其特征在于：所述的力敏型的悬臂梁(6)的具体构成是：悬臂梁(6)的自由端为一个双悬臂的四边形结构，上、下悬臂的中间区域(6D)挖空，且左、右端部附近部位的纵向中部(6C)挖空，前后未挖空处开槽，开槽的最薄处(6A)厚度为0.10-0.20mm；下悬臂还支出形成8-15mm×8-15mm大小的薄片，探针阵列(11)固定于该薄片(6B)的下表面。