[发明专利]面向微结构制造具有力反馈控制的微探针刻划加工方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳结构加工技术领域，特别是一种具有力反馈控制的微探针刻划加工方法。

背景技术

基于机械去除的加工技术由于具有加工设备简单、可以加工复杂三维乃至曲面微结构、低成本加工等特点而得到广泛研究。例如采用超精密金刚石车削加工技术已经可以进行复杂表面形状精密结构的加工。然而随着加工结构减小到微米尺度，受到刀具尺寸以及机床部件制造精度的限制，采用传统超精密机床很难加工出高精度的微结构。与此同时，基于原子力显微镜微探针的纳米机械刻划技术被广泛的用在纳米结构的制造领域。两种加工技术采用相同的机械去除原理，但是采用AFM微探针的加工精度和加工尺度可以容易以及经济的达到纳米量级，并且已经实现三维纳米结构的加工制作。两种方法的根本差别在于：传统的切削加工系统的特点为刀具是刚性的、依靠刀具与工件的相互运动精度保证加工结构的精度和尺寸。因此随着机床精度的进一步提高，机床的成本也急剧提高，并且机床精度的提高很大程度上还受到现有制造、装配的技术水平的限制。因此人们也一直在探寻新的可以进一步提高加工精度的方法。另外一方面，基于AFM微探针的纳米机械加工是依靠一个柔软的微悬臂梁带动探针接触工件表面，依靠微悬臂的弯曲施加在表面上一个恒定力，保证在机械刻划过程中AFM微探针能够实时跟踪工件表面。对于AFM系统来讲，工件表面为零点参照坐标系。在这样的系统中，其装置误差对加工过程的影响较小。因此，在实现采用传统机床很难实现表面上纳米尺度沟槽和复杂微结构的加工，尤其是在倾斜的表面上或者曲面上加工微结构具有很大的优势。然而目前对于采用AFM系统进行纳米机械刻划加工存在两个问题：（1）加工范围小、加工效率较低。目前AFM系统适合加工数十个微米尺度的结构，而当尺度扩展到毫米尺度时，由于探针的磨损、加工的速度等因素导致目前的这种技术的加工效率很低。（2）AFM微悬臂可以施加到表面上的最大载荷为数百微牛，加工结构的深度较小。目前不能够满足微光学、MEMS等领域广泛采用的微米尺度沟槽等复杂微结构的现实需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向微结构制造具有力反馈控制的微探针刻划加工方法，该加工方法可以实现低成本、高精度、微米尺度沟槽等复杂微结构的加工。

本发明的加工方法明显区别于传统的超精密加工设备，很容易实现表面逼近，实现工件表面零点定位。同时，在微力驱动下，通过精确控制作用力可以得到更高精度的微纳米加工能力。此外，本发明的加工方法还具备跟随工件表面的加工能力，方便实现曲面上的微结构加工。

实现上述目的的技术方案是：

面向微结构制造具有力反馈控制的微探针刻划加工方法，所述的加工方法由下述步骤实现：

步骤一：微探针刀具的自动逼近工件表面过程；

先将工件放置于X-Y向精密工作台上，根据所设定的力初值，简称设定值，使微探针刀具自动逼近工件表面并维持一个恒定的力F，该恒定的力F的初值为5-20mN，具体逼近工件表面过程如下：开始，Z向粗动工作台先向下移动的距离A=5-18μm，然后压电陶瓷驱动Z向微动工作台向下移动的距离B=6-20μm，在Z向微动工作台移动过程中检测力传感器的值，如果达到设定值，则认为微探针刀具与工件表面接触；如果没有达到设定值，则Z向微动工作台向上回至零位，之后，Z向粗动工作台向下继续移动5-18μm，重复上述过程，直至实现微探针刀具与工件表面的接触；执行过程中必须保证A<B，以保证在Z向粗动工作台向下移动A后，Z向微动工作台具有足够的空间B探测工件表面，A值越小，自动逼近过程越慢，A值越大，自动逼近过程越快，B根据A值确定，满足A<B即可；

步骤二：恒力条件下的刻划加工；

当微探针刀具与工件表面接触后，开始刻划加工，启动力闭环控制模块，Z向微动工作台上下移动，设置比例增益Kp参数范围为15000-50000、积分增益Ki参数范围为20000-40000，实现垂直力的实时闭环控制，垂直方向力的范围为15-500mN，同时，X-Y向精密工作台带动工件做精密移动，实现微沟槽结构的加工，加工的微沟槽长度为1-6mm，微沟槽深度为0.5-5μm，移动速度为0.01-0.1mm/s；

步骤三：加工完成退刀过程；

微沟槽结构加工好后，力闭环控制结束，微探针刀具由Z向粗动工作台带动以25mm/s的速度向上移动脱离工件表面，加工结束。