用于微纳阵列结构加工的超声压印装置及方法

本发明涉及微纳阵列结构的精细加工，尤其涉及跨尺度功能表面的高效微纳阵列结构加工。

背景技术：

1、微纳阵列结构(或称为微结构阵列、阵列微结构、微结构功能表面、阵列微结构功能表面)能够在材料的固有属性基础上赋予器件某些特殊的性能，如自清洁能力、抗反射性能、吸附性等，在生物医学、精密光学和光电通讯等领域有着重要的应用价值。因此，制备大范围、高精度和低成本的阵列微结构功能表面具有重要意义。

2、由于微纳阵列结构具有复杂的阵列微结构特征，传统的多轴精密铣床不能满足精细加工需求。

3、光刻加工技术虽然可以制备复杂的微纳阵列结构，但是其设备费用高昂、工艺复杂、且加工效率低，应用范围并不广。

4、压印技术具备加工精度高，操作简单的优势，但是若要采用现有压印设备在异形曲面上实现跨尺度多维阵列微结构的压印加工，则存在着成本高、工艺复杂以及表面质量较差等问题。

5、然而随着科学技术的发展，光学设备需要更快和更精准的跟瞄特性，要求先进成像器件兼备更高的表面质量和更复杂的阵列特征(即需要在异形曲面上加工微纳阵列结构)，现有的压印加工技术无法满足这一需求。

技术实现思路

1、本发明提出了用于微纳阵列结构加工的超声压印装置及方法，解决了采用现有压印设备在异形曲面上实现跨尺度多维阵列微结构的压印加工过程中，存在的成本高、工艺复杂以及表面质量较差的问题。

2、本发明所述的用于微纳阵列结构加工的超声压印装置，其技术方案如下：

3、所述装置包括：三自由度超声操控器、接触式压印模具、传感检测部件、六自由度平台、结构支撑部件以及微位移调整台；

4、所述六自由度平台用于放置待加工样品，还用于调整待加工样品的位置和姿态，以进行分度运动控制；

5、所述三自由度超声操控器的一端与微位移调整台的一端固定连接；所述微位移调整台的另一端固定连接到结构支撑部件上；所述三自由度超声操控器的另一端与所述接触式压印模具可拆卸连接；

6、所述接触式压印模具具有表面微结构，所述表面微结构用于与待加工样品表面产生相互作用力，进行超声压印加工；

7、所述三自由度超声操控器，用于根据待加工的微纳阵列结构更换具有对应表面微结构的接触式压印模具，还用于操控接触式压印模具进行超声压印加工，对超声压印加工过程中的压印深度和压印力进行协同控制；

8、所述微位移调整台，用于调整接触式压印模具与待加工样品表面间的距离；

9、所述传感检测部件，用于实时检测超声压印加工过程中的参数数据，并将所述参数数据反馈给三自由度超声操控器以及六自由度平台。

10、进一步的，提供一个优选实施方式，所述三自由度超声操控器用于生成三个自由度的超声线性振动：轴向振动、水平横向振动以及水平纵向振动；其中：

11、所述轴向振动平行于压印方向，用于控制超声压印加工过程中的压印深度；

12、所述水平横向振动和水平纵向振动垂直于压印方向，用于使接触式压印模具的表面微结构与待加工样品表面之间产生超声振动摩擦，进行振动辅助压印。

13、进一步的，提供一个优选实施方式，所述三自由度超声操控器包括支撑底座，压电元件和刀具操控端；所述支撑底座和刀具操控端分别位于所述压电元件的两端；

14、所述支撑底座与微位移调整台的一端固定连接；

15、所述刀具操控端与所述接触式压印模具可拆卸连接；

16、所述压电元件采用多片压电陶瓷片堆叠，每一片压电陶瓷片都具有四个分区，且多片压电陶瓷片的分区一一对应对齐；

17、所述压电元件用于通过分区激励实现纵振和弯振变形。

18、进一步的，提供一个优选实施方式，所述刀具操控端采用变幅杆结构，用于放大末端机械振动的质点位移或速度，保持振幅稳定，提高加工精度。

19、进一步的，提供一个优选实施方式，所述六自由度平台用于带动待加工样品进行六个自由度方向的运动；

20、所述六个自由度方向的运动包括：

21、沿x轴方向平移运动、绕x轴方向旋转运动、沿y轴方向平移运动、绕y轴方向旋转运动、沿z轴方向平移运动以及绕z轴方向旋转运动；

22、所述六个自由度方向的运动相互解耦、独立控制。

23、进一步的，提供一个优选实施方式，所述六自由度平台为六自由度压电平台；

24、所述六自由度压电平台包括3个运动部件：x轴运动部件、y轴运动部件以及z轴运动部件，所述3个运动部件沿z轴方向依次串联堆叠布置；

25、所述x轴运动部件用于带动待加工样品进行沿x轴方向平移运动以及绕x轴方向旋转运动；

26、所述y轴运动部件用于带动待加工样品进行沿y轴方向平移运动以及绕y轴方向旋转运动；

27、所述z轴运动部件用于带动待加工样品进行沿z轴方向平移运动以及绕z轴方向旋转运动。

28、进一步的，提供一个优选实施方式，所述运动部件包括直线运动平台和旋转运动平台；

29、所述直线运动平台包括弯曲复合压电振子、传动螺套、螺纹输出端以及移动平台；所述螺纹输出端与移动平台之间采用固定连接；所述螺纹输出端采用周向限位约束旋转自由度；

30、所述弯曲复合压电振子用于产生椭圆运动轨迹，驱动传动螺套进行旋转和直线的耦合运动；所述传动螺套用于驱动螺纹输出端做直线运动；所述螺纹输出端用于带动移动平台沿螺纹输出端的轴线方向做直线运动；

31、所述旋转运动平台包括弯曲复合压电振子，螺纹输出端以及移动平台；螺纹输出端和移动平台之间采用直线滑动连接；

32、所述弯曲复合压电振子用于产生椭圆运动轨迹，驱动螺纹输出端进行旋转和直线的耦合运动；所述螺纹输出端用于带动移动平台绕螺纹输出端的轴线方向做旋转运动。

33、进一步的，提供一个优选实施方式，所述弯曲复合压电振子包括底座、压电元件和螺纹顶端，三者之间采用固定连接方式；

34、所述压电元件用于产生垂直于轴线的两个正交方向上的弯曲微动；

35、所述螺纹顶端用于放大压电元件的弯曲微动，产生椭圆运动轨迹，并与传动螺套或螺纹输出端进行螺纹连接实现螺纹驱动。

36、进一步的，提供一个优选实施方式，所述结构支撑部件包括支撑立柱、横梁以及基底；

37、所述基底的上表面用于布置所述六自由度平台；

38、所述支撑立柱竖直支撑在所述基底的上表面；所述横梁固定设置于所述支撑立柱顶端；所述横梁与所述微位移调整台固定连接。

39、本发明还提出了用于微纳阵列结构加工的超声压印方法，其技术方案如下：

40、所述超声压印方法采用上述超声压印装置实现；

41、所述超声压印方法包括以下步骤：

42、步骤1，将待加工样品放置在六自由度平台上；六自由度平台依据待加工样品表面的形状和压印要求，调整待加工样品的位置和姿态；

43、步骤2，根据压印要求，更换安装接触式压印模具；微位移调整台调整接触式压印模具与待加工样品表面间的距离；

44、步骤3，三自由度超声操控器根据压印要求，操控接触式压印模具进行深度可控的超声压印加工；

45、同时，传感检测部件实时检测超声压印加工过程中的参数数据，并将所述参数数据反馈给三自由度超声操控器和六自由度平台；

46、三自由度超声操控器根据根据反馈获得的参数数据，实时调整超声压印加工过程中的压印深度和压印力；

47、步骤4，六自由度平台根据反馈获得的参数数据、待加工样品表面的形状以及压印要求，实时调整待加工样品的位置和姿态，以实现微纳阵列结构加工的分度运动控制；

48、步骤5，在三自由度超声操控器和六自由度平台的协同控制下，待加工样品在平面、球面或异形曲面上的跨尺度多维微纳阵列结构的超声压印加工完成。

49、本发明有以下有益效果：

50、1.本发明所述的用于微纳阵列结构加工的超声压印装置，通过三自由度超声操控器提供振动辅助压印，降低了压印加工过程中的应力集中，提高了微纳阵列结构的加工质量。

51、2.本发明所述的用于微纳阵列结构加工的超声压印装置，可以采用六自由度平台调整待加工样品的位置和姿态，进一步地采用六自由度压电平台基于压电驱动技术进行分度控制，其控制精度高、响应快，易于实现多维运动。

52、3.本发明所述的用于微纳阵列结构加工的超声压印装置，通过三自由度超声操控器和六自由平台的协同控制，实现了在平面。球面和曲面上的跨尺度多维微纳阵列结构的高质量压印。

53、4.本发明所述的用于微纳阵列结构加工的超声压印装置，具有设备成本低、加工工艺流程简单、成型速度快和加工质量高等优点，可广泛的应用于光学设备、精密仪器、微电子器件、生物医学以及材料化工等领域中微纳阵列结构的加工。

54、本发明所述的用于微纳阵列结构加工的超声压印装置及方法，适用于微纳阵列结构加工的超声压印。