基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置的制作方法

本实用新型涉及微纳结构加工技术，具体涉及一种基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置。

背景技术：

近年来随着微纳技术的不断发展，具有微纳精度的复杂微结构在许多领域有着广泛的需求，如高密度光栅结构、微通道强化散热、微结构表面改性等诸多领域。对于上述的微纳结构，目前常用的加工方法主要为电子束加工、离子束加工、激光加工、等纳米加工手段，然而其加工设备昂贵、加工条件苛刻、加工范围小以及加工效率低等缺点制约了上述复杂纳米结构的加工制作。

随着纳米加工技术的进一步发展，基于afm(原子力显微镜)的纳米加工手段得以应用，afm在机械加工过程中实现了力的闭环控制，即可以实时检测和控制方向力的大小。但afm在加工过程受限于悬臂梁刚度和加工区域的问题，不能大面积、高深宽比加工，另外商业化的原子力显微镜设备价格十分昂贵，普遍适用性低。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种结构简单、成本低的基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置。此基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置可实现高深宽比，大范围的微纳结构加工。

本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：本基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置，包括基板、调平台、样品夹具、金刚石探针、力传感器、z向精密纳米位移平台、z向微位移平台、y向微位移平台和x向微位移平台；所述样品夹具通过调平台安装于基板上，所述x向微位移平台安装于基板上，所述y向微位移平台安装于x向微位移平台，所述z向微位移平台安装于y向微位移平台，所述z向精密纳米位移平台通过力传感器安装于z向微位移平台，所述金刚石探针通过探针夹具安装于z向精密纳米位移平台，且所述金刚石探针位于样品夹具的上方。

优选的，所述金刚石探针包括刀柄和金刚石制成的刀刃，所述刀刃固定于刀柄的一端，所述刀柄的另一端安装于z向精密纳米位移平台。

优选的，所述刀刃呈三棱锥状或四棱锥状。

优选的，所述x向微位移平台通过垫块安装于基板上。

优选的，所述样品夹具包括夹具本体、夹具挡块和预紧螺栓，所述夹具本体设有与调平台连接的连接孔，所述夹具本体的一端设有用于放置样品的夹紧槽，所述夹具挡块通过预紧螺栓与夹具本体的一端连接。

优选的，所述调平台包括支撑架、支撑板、载物板、x轴调平螺栓和y轴调平螺栓，所述支撑架的下端安装于基板，所述支撑板固定于支撑架的上端，所述载物板通过x轴调平螺栓和y轴调平螺栓安装于支撑板的上方。

一种基于上述的基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置的实验方法，包括以下步骤：

1)试验样品固定：将试验样品固定于样品夹具，再通过调平台调整试验样品的水平度；

2)对刀操作：将金刚石探针安装在探针夹具后，通过x向微位移平台和y向微位移平台将金刚石探针移动至试验样品上方，再通过z向微位移平台实现金刚石探针在z方向的宏运动，接着使用光学显微镜对金刚石探针的针头和试验样品表面的距离进行观察；当金刚石探针的针头即将接触到试验样品的上表面时，再通过z向精密纳米位移平台以一定的速度逼近试验样品上表面；力传感器检测金刚石探针与试验样品表面的法向力，当力传感器检测到力信号发生阶跃变化时，金刚石探针与试验样品的上表面发生接触，记录下此时金刚石探针的z轴位置，完成对刀操作；

3)试验样品的预加载：当金刚石探针下落到步骤2)时的对刀位置时，继续操作z向精密纳米位移平台，令金刚石探针进一步的向下运动，控制金刚石探针压入试验样品表面的一定深度完成试验样品的预加载；

4)刻划加工：控制x向微位移平台和y向微位移平台的进给速度和进给距离，加工出平面的微纳结构；

5)力位控制加工：基于力传感器的力信号，即所述金刚石探针与试验样品的法向载荷，计算机根据力传感器送达的力信号控制z向精密纳米位移平台上下移动，根据力信号的变化来改变金刚石探针在z向的绝对位置，使得金刚石探针对试验样品的刻划深度保持相对恒定，实现加工深度恒定的微纳结构；

6)卸载及退刀：完成微纳结构加工后，z向精密纳米位移平台以一定的速度缓慢上移，带动金刚石探针离开试验样品的上表面，完成卸载；然后z向微位移平台上移，以使金刚石探针远离试验样品上表面至一定的安全高度，从而完成退刀。

优选的，在步骤2)中，z向精密纳米位移平台带动金刚石探针逼近试验样品的速度为0.1nm/s～100nm/s。

优选的，在步骤4)中，控制x向微位移平台或y向微位移平台单轴运动，以加工出x方向或y方向的直线形的微纳结构；过控制所述x向微位移平台和y向微位移平台两轴联动，以加工出多边形或圆形的微纳结构。

优选的，在步骤4)中，x向微位移平台和y向微位移平台的进给速度均为0.1um/s～10um/s；而x向微位移平台和y向微位移平台的进给距离为大于或等于0.5um。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点：

1、本实用新型通过对多个精密位移平台的搭建，利用力信号进行力位反馈控制，实现复杂曲面恒定深度微纳结构加工，装置结构简单。

2、本实用新型区别于电子束加工、离子束加工、激光加工、基于afm(原子力显微镜)加工等微纳结构加工方法，能够在低成本下解决复杂曲面恒定深度的微纳结构的加工问题，装置及加工实现成本低。

3、本实用新型不受试验样品尺寸的影响，克服了afm等其他一些纳米压痕仪的加工范围限制，可实现高深宽比，大范围的微纳结构加工。

附图说明

图1是本实用新型的基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置的结构示意图。

图2是本实用新型的调平台结构示意图。

图3是本实用新型的样品夹具结构示意图。

图4是本实用新型的基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置对其中一种试验样品加工后的结构示意图。

图5是图4中试验样品加工后的剖视图。

图6是本实用新型的基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置对另中一种试验样品加工后的结构示意图。

图7是图6中试验样品加工后的剖视图。

其中，1为基板，2为调平台，21为支撑架，22为支撑板，23为载物板，24为x轴调平螺栓，25为y轴调平螺栓，3为样品夹具，31为夹具本体，32为夹具挡块，33为预紧螺栓，34为连接孔，35为夹紧槽，4为金刚石探针，41为刀柄，42为刀刃，5为力传感器，6为z向精密纳米位移平台，7为z向微位移平台，8为y向微位移平台，9为x向微位移平台，10为垫块，11为探针夹具，12为l型连接块，13为试验样品。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置，包括基板、调平台、样品夹具、金刚石探针、力传感器、z向精密纳米位移平台、z向微位移平台、y向微位移平台和x向微位移平台；所述样品夹具通过调平台安装于基板上，所述x向微位移平台安装于基板上，所述y向微位移平台安装于x向微位移平台，所述z向微位移平台安装于y向微位移平台，所述z向精密纳米位移平台通过力传感器安装于z向微位移平台，所述金刚石探针通过探针夹具安装于z向精密纳米位移平台，且所述金刚石探针位于样品夹具的上方。

具体的，z向精密纳米位移平台采用型号为q-545x的位移平台，工作行程为13mm；而x向微位移平台、y向微位移平台和z向微位移平台均采用型号为esp-301的位移平台，工作行程为25mm。这x向微位移平台、y向微位移平台、z向微位移平台和z向精密纳米位移平台均采用现有的位移平台，可减少设计成本。本实施例中，采用x向微位移平台可驱动金刚石探针在水平面中进行x轴方向的移动，而y向微位移平台可驱动金刚石探针在水平面中进行y轴方向的移动。而z向精密纳米位移平台和z向微位移平台均用于驱动金刚石探针进行高度的移动，但z向微位移平台是驱动金刚石探针进行宏运动，宏运动指的为进给距离大于或等于500nm的运动，即对金刚石探针的高度进行粗调整；而z向精密纳米位移平台是驱动金刚石探针进行微运动，微运动为进给距离小于500nm的运动，即对金刚石探针的高度进行精调整。在进行样品加工试验时，待z向精密纳米位移平台和z向微位移平台驱动金刚石探针下落到适当的高度后，再通过x向微位移平台和y轴微位移平台驱动金刚石探石进行水平移动，从而对试验样品进刻划，以对试验样品进行微纳结构加工。在试验过程中，力传感器实时检测金刚石探针对试验样品的法向载荷，以为x向微位移平台、y向微位移平台、z向微位移平台和z向精密纳米位移平台的动作提供可靠的依据。为进一步保证稳定性，z向精密纳米位移平台通过l型连接块安装于y向微位移平台。如图1所示，探针夹具主要则有两张对称设置的夹板构成，夹板的一端通过连接螺栓安装于z向精密纳米位移平台，两张夹板另一端形成用于夹紧金刚石探针的固定槽。

在进行实验前，先将基板通过固定螺栓安装于减震气浮台上，从而将整个实验装置固定，然后将样品固定于样品夹具中，再开始实验。这可保证试验过程中整个装置的稳定性，保证对试验样品刻划时的精确性。

所述金刚石探针包括刀柄和金刚石制成的刀刃，所述刀刃固定于刀柄的一端，所述刀柄的另一端安装于z向精密纳米位移平台。所述刀刃呈三棱锥状或四棱锥状。此结构简单，安装方便。同时根据加工要求，选择使用不同形状的刀刃。刀刃的形状不仅限于三棱锥状或四棱锥状，其还可以呈半球状。

所述x向微位移平台通过垫块安装于基板上。垫块保证了x向微位移平台、y向微位移平台、z向微位移平台和z向精密纳米位移平台驱动金刚石探针移动时的稳定，保证实验可靠的进行。同时垫块让金刚石探针在初始位置时可处于适当的高度，从而与位于调平台上的样品夹具的高度相匹配。

如图3所示，所述样品夹具包括夹具本体、夹具挡块和预紧螺栓，所述夹具本体设有与调平台连接的连接孔，所述夹具本体的一端设有用于放置样品的夹紧槽，所述夹具挡块通过预紧螺栓与夹具本体的一端连接。具体的，试验样品的高度大于夹紧槽的深度，则当试验样品放置在夹紧槽时，试验样品的顶端端面位于夹紧槽的上方。要进行试验样品时，预紧螺栓处于松开的状态，将试验样品放到夹紧槽后，旋紧预紧螺栓，将夹具挡块向夹具本体方向移动，在夹具挡块和夹紧槽的槽壁的共同作用，将试验样品夹紧于夹紧槽内，以防止对试验样品进行刻划时试验样品发生移动。其中，连接孔为条形孔，以方便调整样品夹具与载物板之间的相对位置。

如图2所示，所述调平台包括支撑架、支撑板、载物板、x轴调平螺栓和y轴调平螺栓，所述支撑架的下端安装于基板，所述支撑板固定于支撑架的上端，所述载物板通过x轴调平螺栓和y轴调平螺栓安装于支撑板的上方。具体的，如图所示，x轴高平螺栓和y轴高平螺栓的上端均与载物板连接，且两者与载物板的连接处位于载物板的对角线上。本实施例中，x轴调平螺栓可提供-3.5°至14°的角度调整，而y轴调平螺栓可提供-5°至16°的角度调整，在x轴调平螺栓和y轴调平螺栓的共同作用，可保证被样品夹具夹紧的试验样品待加工表面保持水平。其中载物板设有多个与连接孔匹配的螺栓孔。

一种基于上述的基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置的实验方法，包括以下步骤：

1)试验样品固定：将试验样品固定于样品夹具，再通过调平台调整试验样品的水平度；

2)对刀操作：将金刚石探针安装在探针夹具后，通过x向微位移平台和y向微位移平台将金刚石探针移动至试验样品上方，再通过z向微位移平台实现金刚石探针在z方向的宏运动，接着使用光学显微镜(本实施例中采用200倍光学显微镜)对金刚石探针的针头和试验样品表面的距离进行观察；当金刚石探针的针头即将接触到试验样品的上表面时，再通过z向精密纳米位移平台以一定的速度逼近试验样品上表面；力传感器检测金刚石探针与试验样品表面的法向力，当力传感器检测到力信号发生阶跃变化时，金刚石探针与试验样品的上表面发生接触，记录下此时金刚石探针的z轴位置，完成对刀操作；其中，z向精密纳米位移平台带动金刚石探针逼近试验样品的速度为0.1nm/s～100nm/s，对于逼近试验样品的速度优选为1nm/s～75nm/s，而更进一步的优选速度为5nm/s～50nm/s，以防止金刚石探针大力撞击试验样品的表面。

3)试验样品的预加载：当金刚石探针下落到步骤2)时的对刀位置时，继续操作z向精密纳米位移平台，令金刚石探针进一步的向下运动，控制金刚石探针压入试验样品表面的一定深度完成试验样品的预加载；其中，预加载的深度为100nm～2000nm，以保证试验可靠的进行。

4)刻划加工：控制x向微位移平台和y向微位移平台的进给速度和进给距离，加工出平面的微纳结构；其中，控制x向微位移平台或y向微位移平台单轴运动，以加工出x方向或y方向的直线形的微纳结构；过控制所述x向微位移平台和y向微位移平台两轴联动，以加工出多边形或圆形的微纳结构；x向微位移平台和y向微位移平台的进给速度均为0.1um/s～10um/s；而x向微位移平台和y向微位移平台的进给距离为大于或等于0.5um；具体的，如图4～7所示，x向微位移平台和y向微位移平台驱动金刚石探针以相应的进给速度及进给距离对平面或曲面进行刻划加工时，以加出相应的微纳结构。

5)力位控制加工：基于力传感器的力信号，即所述金刚石探针与试验样品的法向载荷，计算机根据力传感器送达的力信号控制z向精密纳米位移平台上下移动，根据力信号的变化来改变金刚石探针在z向的绝对位置，使得金刚石探针对试验样品的刻划深度保持相对恒定，实现加工深度恒定的微纳结构；其中，加工深度为100nm～2000nm；

6)卸载及退刀：完成微纳结构加工后，z向精密纳米位移平台以一定的速度缓慢上移，带动金刚石探针离开试验样品的上表面，完成卸载；然后z向微位移平台上移，以使金刚石探针远离试验样品上表面至一定的安全高度，从而完成退刀。加工后，z向精密纳米位移平台以10nm/s的速度缓慢上移，带动金刚石探针离开试验样品的上表面，完成卸载。

本试验方法在力传感器、x向微位移平台、y向微位移平台、z向微位移平台和z向精密纳米位移平台的共同作用时，可低成本进行恒定深度微纳结构加工，且采用的装置结构简单。

上述具体实施方式为本实用新型的优选实施例，并不能对本实用新型进行限定，其他的任何未背离本实用新型的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。