（机械制造及其自动化专业论文）原子力微探针加工控制研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 自原子力显微镜( a f m ) 问世以来，其应用领域已由原来的微观表面形貌 检测或表面特征的获取扩展到纳米加工。近几年以来，将a f m 作为加工工 具对不同材料表面进行纳米结构加工已成为a f m 主要的应用领域之一。 本文通过分析国内外相关纳米结构加工及纳米定位控制技术的研究现 状，针对基于扫描探针显微铙的微加工系统中采用原予力微探针刻划j n t - 时 深度不可控的问题，提出了新型加工控制策略并研制了相应的专用控制器。 针对所提出的纳米加工方法，文中首先结合原子力微探针和高精度三维 微动工作台组建了微加工系统，通过对微探针- 光杠杆系统的分析和沿不同 方向刻划时微悬臂的受力分析，设计了较优的微探针加工控制方式；其次， 在深入分析微加工工作过程的基础上，引入变参数p i d 控制算法，提出了 刻划加工深度的闭环控制方案，设计并研制了相应的专用控制器及试验软 件，以实现直接控制加工深度进行刻划加工；最后，对镀铝膜表面进行了不 同设定深度及不同进给量的刻划加工试验。 根据加工试验结果，通过对微小方坑和微小台阶结构的加工深度分析， 验证了微探针加工控制算法的有效性及该微加工系统可以实现微小尺度的加 工深度控制，为真正意义上的纳米尺度加工系统的建立提供了可行方法。 关键词纳米加工；a f m ；微探针；深度控制 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) h a sb e e na p p l i e di nt h ef i e l do fn a n o m e t e r m a c h i n i n gs i n c ei t s i n v e n t i o ne v e ni t sm a i nf u n c t i o nf a l l si nt h ei n s p e c f i o no f s u r f a c e t o p o g r a p h y a n do t h e rf e a t u r e s i nr e c e n ty e a r s ，a f m b a s e d n o a l o s t r u c t u r em a c h i n i n go nd i f f e r e n tm a t e d a l sh a sb e e nd r a w i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o na n di sb e i n gd e v e l o p e da so n eo f a f m sm a i na p p l i c a t i o n s t h r o u g ha n a l y z i n gt h ep r e s e n ts t a t u so f n a n o - s t r u c t u r em a c h i n i n ga n dt h e c o n t r o lt e c h n i q u eo fn a n o - p o s i t i o n i n g ，an e wm o c r o m a c h i n i n gc o n t r o lm e t h o d w a s p r e s e n t e d i nt h i st h e s i st os o l v et h ep r o b l e mu n a b l et oc o n t r o lt h em a c h i n i n g d e p t h i ns p m - b a s e d m i c r o m a c h i n i n gs y s t e m w i t ht h e d e v e l o p e d c o n t r o l l e r i nt h i s t h e s i s ，t h em i c r o m a c h i n i n gs y s t e mc o m b i n n i n gt h ea t o m i cf o r c e m i c r o p r o b ea n d t h eh i g hp r e c i s et h r e e d i m e n s i o n a lm i c r op o s i t i o n i n gs t a g ew a s m s t l ys e tu p t h em i c r o p r o b em a c h i n i n g c o n t r o lm e t h o dw a sf o r w a r d e db a s e do n t h ea n a l y s i so ft h em i c r o p r o b e - l i g h tl e v e ra n dt h ec a n t i l e v e rs t r e s si nd i f f e r e n t m a c h i n i n gd i r e c t i o n s s e c o n d l y , t h e s c h e m eo fc l o s e l o o p c o n t r o l l i n g t h e m a c h i n i n gd e p t hw a sp r e s e n t e d a f t e ri n v e s t i g a t i n gt h em i c r o m a c h i n i n g p r o c e d u r e w i t ht h e a p p l i c a t i o n o fv a r i a t i o n p a r a m e t e r p i da l g o r i t h m m e a n w h i l e ，t h e c o r r e s p o n d i n gc o n t r o l l e ra n de x p e r i m e n t a l s o f t w a r ew e r ed e v e l o p e da sw e l l f i n a l l y ，t h em a c h i n i n ge x p e r i m e n t w a sc o n d u c t e do n e v a p o r a t e d a l u m i n u m s u r f a c ei nd i f f e r e n td e p t h s e ta n df e e d s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l tr e g a r d i n gm a c h i n i n gd e p t ho f t h em i c r o s q u a r ep i t a n d m i c r o s t e pi n d i c a t e st h a tt h ec o n t r o la l g o r i t h mo f t h em i c r o p r o b ei sv a l i da n d t h em i c r o m a c h i n i n gs y s t e mi sa b l et oc o n t r o lt h e m i e r o m a c h i n i n gd e p t h i t p r o v i d e saf e a s i b l ec o n c e p t t os e tu pt h et r u en a n o m e t e rs c a l em a c h i n i n g s y s t e m k e y w o r d sn a n o m e t e rm a c h i n i n g ，a f m ，m i c r o p r o b e ，d e p t hc o n t r o l - i i 堕玺鎏三些盔兰三兰堡圭兰堡篁兰 第1 章绪论 1 1 课题背景意义及研究目的 随着科学技术的发展，超精密加工技术越来越受到世界各国科学界和工 业界的重视。迄今为止，“纳米级”、“分子原子级”加工已成为现实，微纳米 量级产品已进入人们的生活之中，比如纳米材料、纳米测力仪、微型马达器 件、微型机器人部件等。为制造出尺寸越来越小、精度越来越高的产品，各 国都在寻求不同的加工方法和检测手段来满足当今科技发展的要求i l “。我 国在1 9 9 4 年以来的多次全国微米纳米学术会议上，均把微机电系统 ( m e m s ) 作为发展重点，其优先发展领域为国防和生物医学，其次重点发展 微米，纳米基础技术。在机械工业“九五”规划中已将超精密加工技术列为关 键技术之一。1 9 9 5 年起又建立精密超精密加工技术国防重点实验室。到目 前为止，全国各大重点高校相继组建了超精密加工、微纳米制造研发机构。 进入二十一世纪的今天，基于精密机械加工、电子柬、激光束、离子柬等的 加工领域正由微米、亚微米级的加工精度向纳米级精度过渡。在现代生产技 术中，纳米加工技术有着不可替代的重要地位f - 6 。 自扫描隧道显微镜( s t m ) 问世以来，人们探索微观世界的手段越发先 进，随之而来的微加工技术得到了飞速的发展。纳米制造技术成为激光、通 信、计算机、航空航天、材料与生物遗传工程等一系列尖端科学技术的重要 发展方向。迄今为止，传统的超精密加工技术如机械加工( 单点金刚石和 c b n 刀具切削、磨酎、抛光等) 、电化学加工( e c m ) 、电火花加工( e d m ) 、 离子和等离子体刻划、分子束外延( m b e ) 、物理和化学气相沉积、激光束加 工、l i g a 技术等不断地向其极限精度逼近，从而具有纳米级加工能力 ， 但由于传统加工方法的加工机理局限性，达到纳米级加工能力比较困难。 s t m 、原子力显微镜( a f m ) 等为开拓新的加工方法提供了有力保障，如基于 s t m 和a f m 对表面的纳米级加工，可直接操纵原子和分子，并对表面进行 纳刻划( n a n o - l i t h o g r a p h y ) 和微加i ( m i c r o - m a c h i n i n g ) 。近几年来，基于原子 力显微镜的微加工机理已成为科学界探索新的加工方法的基础理论。 本课题的主要目的是在建立基于扫描探针技术的新型专用微加工系统的 基础上，研究微纳米尺度微小结构的加工工艺及加工深度控制技术。系统 ： 堕玺鎏三些查兰三兰鎏圭兰g 鲨三 ， 集测量加工功能于一体，可应用于微模具、掩膜和微小结构及器件的加工， m e m s 零件二次微修饰加工和更换测量探针后的精密测量。因此，本课题 对纳米加工技术的拓展以及a f m 的应用研究具有一定的指导意义和重要的 实际意义。 1 2 微细加工技术的研究现状 微细加工技术是为微传感器、微执行器、微机构和微系统等制作微机械 部件和结构的加工技术。微细加工实质上是用各种微细加工技术制作诸如圆 孔、方孔、沟槽、斜面、膜片和悬臂梁等结构，并由这些微结构经过微装配 组成。微细加工工艺十分丰富，包括了各种现代特种加工和高能束加工等工 艺，而且微机械制造过程又往往是多种加工工艺的结合，因此它是目前最重 要的新兴技术之一。 1 2 1 传统微细加工技术研究现状 常用的微细加工工艺主要包括硅基微细加工、三束光刻、l i g a 技术、 微细电火花加工、微细电解加工、微细超声加工、微细激光成形加工以及精 密电铸等。这些技术有着各自的特点和优点，在微细加工中具有重要作用， 当然它们也存在各种不足。 ( 1 ) 硅基微细加工技术硅是最基本的微细加工材料，硅基微细加工技术 包括体微细加工技术、表面微细加工技术以及复合微细加工技术等。体微细 加工技术是将整块材料如单晶硅基片加工成微机械结构的生产工艺，可在三 维空间制造硅微结构，并可以直接在硅片上获得高纵横比的微机械零件。其 主要优点是可以相对容易地制造出大质量的零部件，缺点是难制造出精细灵 敏的系统，不能和微电子线路直接兼容。表面微细加工是利用集成电路中的 平面化制造技术来制造微机械装置。其主要优点是充分利用了现有的i c ( i m e g r a t e dc i r c u i 0 生产工艺，对机械零部件尺度的控制与i c 一样好，完全 与i c 兼容。但同时也限制于表面加工，它制造的机械结构基本上都是二维 的。复合微细加工技术是体微细加工技术和表面微细加工技术的综合，既有 它们的优点同时也避免了他们的缺点限9 1 。 f ( 2 ) 三束光刻技术以光子束、电子束和离子束为代表的三束微加工技术 与微电子，光电子技术相互促进，取得了飞速的发展，成为制造各种微结构 的常用方法。 光学光刻是目前i c 工业生产中广泛使用的光刻技术，其中以相干曝光技 术为代表。光学光刻法现已成功的用于0 2 5 i t m 的2 5 6 md r a m 的生产与研 制。使用波长1 9 3 r i m 的a r f 准分子激光光源，其分辨率可达0 1 p m ，使用相移 掩膜其最高分辨率可达0 8 8 l - t m 。日本的t m a s u z a w a 等人采用准分子激光进 行微加工，提出一种孔面积调制技术( h a m ) ，采用这种技术加工了2 5 p m 深，8 0 0 i t m 1 6 0 0 岫的三维孔洞【l o 】。发展新的具有更短波长的曝光光源、降 低成本、提高生产率，寻求更合理的技术工艺组合等，特别是进一步采用x 线光源，是高分辨率光学光刻技术的主要发展方向。 电子束光刻( e b l ) 是在扫描电镜技术基础上发展起来的，其应用主要包 括电子束扫描曝光，电子束直写等。电子束光刻技术在i c 中最重要的应用是 制作中间掩模板。1 9 6 0 年就有采用e b l s d 作小于l o o n m 的结构的报道，现己 在p m m a 上实现了8 r i m 的图形，相当于两个p m m a 分子。采用n a c l ，m g f 等 卤化物抗蚀剂，己可做出l n m 的图形，接近加工极限。电子束光刻技术有极 高的分辨率，又可在计算机下直写任意图形，是理想的纳米加工手段，但其 生产效率低下f 1 ”。 离子束光刻( f i b ) 原理与电子束光刻原理相似，主要区别在于用较重的 离子代替电子。目前，聚焦离子束光刻已可获得最小线宽1 2 r i m 的加工结 果。相比于电子与固体相互作用，离子在固体中的散射效应较小，并可以较 快的直写速度进行小于5 0 r i m 的光刻。因而f i b 光刻也被认为是一种理想的纳 米加工方法。f 1 b 技术的另一优点是在计算机控制下的无掩模注入，甚至无 显影光刻，直接制造各种纳米器件结构。其分辨率比光学、电子束等光刻技 术的分辨率要高。但是其尚不成熟，加工过程中，损伤问题比较严重，另外 其加工精度不易控制，控制精度也不高【1 l 】。 ( 3 ) l i g a 技术l i g a 技术是在德国卡尔斯鲁厄研究中心开发的一种从 半导体光刻工艺派生出来的加工技术。其基本思想是利用x 射线光刻与牺 牲层技术，使用波长为0 2 1 n m 的x 光，可刻蚀至数百微米深度，刻线宽 度十分之几微米，可在任何种类和数量的材料上形成深层的微结构。法国的 s b a l l a n d r a s 等人在1 9 9 7 年采用l i g a 技术制造出以镍为材料的微夹子 1 1 2 0 目前已经用l i g a 技术开发和制造出了微齿轮、各种形状微过滤器、 微加速度传感器、微型涡轮和微马达等三维微结构器件。目前正在向微系统 ( m i c r o s y s t e m ) 方向发展，& 辟将微传感器、微执行器和微处理器放在同一个模 块上，成为一个整体，对获得的信息进行处理和反馈。 l i g a 技术的局限是必须采用同步辐射x 射线光源，加工时间较长，工 堕查鎏三些奎兰三耋堡圭兰堡丝兰 艺过程复杂，价格昂贵，并且制造带有曲面的微结构较困难。由于l i g a 技 术有赖于价格昂贵的同步辐射x 光设备，而且与集成电路工艺的相容性不理 想，所以在l i g a 技术出现后不久，又出现了一种也采用金属电镀技术，但 不需要同步辐射x 光的准l i g a 技术。准l i g a 技术要求的设备条件低，具有 更高的灵活性和更大的实用性 1 2 , 1 3 。 f 4 ) 其他微细加工技术其它微细加工技术包括微细电火花加工、微细电 解加工、微细超声加工、微细激光成形加工以及精密电铸等u “。利用微细 电解) j n t ，采用微动进给和金属微管电极，在o 2 m m 的镍板上加工出了 0 1 7 m m 的小孔。利用超声微细加工技术，用工件加振的工作方式在工程陶 瓷材料上加工出了直径最小为5 p a n 的微孔f j4 1 。应用微细电火花加工技术， 目前己可加工出直径2 5 l x m 的微细轴和5 1 t m 的微细孔，可制作出长 0 5 m m 、宽o 2 m m 、深o 2 m m 的微型汽车模具，并用其制作出了微型汽车 模型。可制作出直径为o 3 岫、模数为o 1 的微型齿轮【l ”。 综上所述，对于纳米加工，传统的微细加工技术还存在各种局限，有待 于进一步深入研究和发展。 1 2 2 基于原子力显微镜的微细加工研究现状 自从扫描探针显微镜( s p m ) 问世以来，把它作为一种纳米加工工具的研 究涉及到表面直接刻写、电子束辅助淀积和刻划、微小粒子及单个原子操 纵、摩擦与磨损、表面微加工等方面。目前为止，已经获得一批高水平的研 究成果。世界上第一次利用s t m 进行单原子操纵的极富创造性的工作是由 i b m 的科学家在极高真空中和极低温度下成功地移动了吸附在镍f 1 1o ) 单晶 表面上的3 5 个氙原子，并利用这些氤原子排列成i b m 字样 1 6 】。瑞典l u r i d 大学的学者利用s t m 针尖对单个的金属纳米粒子进行成像，并选择及搬迁 到两个电导线之间的空隙，实时监控器件的特征以用来在原子精度上控制粒 子的位置及在构造过程中调节器件的电子性质【1 7 】。日本学者利用a f m 对石 墨表面进行连续的刻划以加工纳米量级的表面结构1 1 8 1 。中国科学院化学所 自行研制的大气下工作的c s t m 9 0 0 0 型s t m 由计算机控制针尖脉冲电压 对高定向裂解石墨进行了刻划【l9 】。法国、德国等学者联合研究了把原子力 显微镜作为加工工具对金表面进行修饰的可能性【2 们。 a f m 实现微纳米尺度结构的加工技术主要体删在以下几个方面： ( 1 ) 利用a f m 针尖诱导进行局部氧化加工过程中，在导电的a f m 针尖 和样品表面旌加一个电压，沿着针尖扫描轨迹将会形成窄的氧化线。i b m 实验室的p h a v o u r i s 研究小组首次提出了具有代表性的针尖诱导氧化机 理，这种方法早期采用s t m ，但后来多采用a f m ，其原因是a f m 在氧化 过程中不受表面导电性局部变化的影响，以及对导体和非导体加工不受限 制。h d a i ，n f r a n k l i n 等人用多壁炭纳米管针尖在s i 的氢钝化表面上加工 出s i 0 2 的纳米结构，s i 0 2 细线的宽度仅为1 0 n m ，细线之间的间隔为 1 0 0 m 2 1 。加工时，针尖的负偏压为1 5 - 7 v 。从加工结果可知，这种加工 方法的重复精度是非常好的。c a m p b e l l 等制造出了门控场效应晶体管并验 证了该器件的功能【2 2 1 。利用此方法刻划出的结构性能稳定，可控且简单易 行，因此在样品表面可以修饰和加工出几十纳米的尺度使得a f m 氧化成为 一种有力的纳米加工工具。 ( 2 ) 利用a f m 的针尖诱导进行局域改性利用导电a f m 对样品施加电 压，在样品表面形成局域大电流密度，从而对材料表面进行局域改性。此方 法对表面形貌无影响，因而从形貌上看不出变化，但通过电流相可以看出变 化。这种局域改性的特点是有利于信息写入和读出，特别是通过选择材料改 进纳米点的写入和擦除有着广阔的应用前景。1 9 9 6 年，k y a n o 等人利用 a f m 对l b 膜导电性进行局域改性，试验结果表明在膜表面施加高电压脉 冲可以改变膜表面的导电性【2 ，因此利用l b 膜和a f m 相结合对实现大容 量的存储设备十分有用。 ( 3 ) 机械刻划) j o t 通过控制针尖与样品表面之间的作用力使得针尖所对 应的表面微小区域中产生纳米级尺寸的结构变化。各种各样的材料从聚合物 到金属和半导体都可被应用于这种方法，这种直接机械刻划已经被证明是一 种有用的纳米器件制作方法。 早期采用普通针尖进行的机械刻划加工主要是用来研究a im 作为微加 工工具的可能性。s o h n l l 等人利用a f m 针尖对p m m a m m a 超薄膜进 行机械刻划，制得4 0 n m 宽的金属铬线 2 4 】。b o u c h i a t 等人利用a f m 针尖对 硅片上的高分子膜机械刻划制造出单电子晶体管【2 5 1 。日本学者h i d e k i ， s u g i h a r a 等人利用a f m 在脂肪酸的单分子层上，通过加大针尖与样品表面 之间大作用力加工出纳米尺度的矩形和圆，最d , 力n - r 直径约为2 0 n m t 2 6 1 。德 国学者h w s c h u m a c h e r 等人采用a f m 在g a a s a 1 f a a s 异质结构表面进行 机械刻划，采用非接触的硅探针，旌加5 0 1 0 0 微牛的接触力，1 0 0 9 m s 的， 扫描速度，加工出了一个单控制门的单电子晶体管。该试验表明了采用基于 a f m 的机械刻划加工完全可以用于加工介观尺度的电子设备 2 7 1 。北京大学 窒尘鎏三些奎兰三兰堡圭耋堡篁耋 的陈海峰，宋家庆等人在美国d i 公司n a n o s e o p e 3 型s p m 基础上开发建 立了一套通用型纳米刻划系统，利用a f m 成功地在a u p d 合金膜上机械刻 划出纳米尺度的沟槽和复杂的图形一北大校徽。其采用的方法是通过计算机 将所要刻划的图形进行编码，以脉冲信号输出，直接或间接控制a f m 针尖 的动作，并通过同步时间控制装置与s p m 自身的扫描同步，从而可以很方 便的用来制备复杂的图形【2 ”。 现在利用金刚石针尖进行刻划研究受到越来越多的重视。t s u m o m o g i 等以镍、纯金和纯铜微材料利用金刚石针尖进行微加工研究 2 9 】；赵清亮等 人利用金刚石针尖对单晶硅进行刻划，研究纳米加工机理及方法刚j ；j m l e e 等设计了一套系统，采用金刚石针尖对金属表面及单晶硅表面的镀层进 行刻划，加工出三维规则图形和三维台阶，并指出这种方法可以作为刻划的 前道工序或加工微结构作为微小器件的模具【3 1 】；t e h u af a n g 等人利用金刚 石针尖对硅基铝薄膜表面进行刻划，研究纳米刻划的加工特性【3 2 】。 吕前为止，a f m 应用于微加工的方法只有其高度模式( h e i g h tm o d e ) 和 偏压模式( d e f l e c t i o nm o d e ) ，这两种模式的控制对象都不是加工深度，因此 目前的a f m 尚不具备深度可控的微加工能力，这在一定程度上限制了 a f m 在微加工中的应用。 随着科技的不断发展，对各种复杂的三维微小结构的加工成为科学界研 究的热点，加工深度尺寸控制问题成为a f m 在微加工应用中急待解决的关 键技术。在纳米加工领域，研究基于a f m 和金刚石针尖的微加工特性以及 被加工材料在纳米甚至原子量级的去除机理、三维微小结构加工的微定位及 加工尺寸控制技术等对于探索新的加工方法来说有着更为深远的意义。 1 3 微定位控制算法研究现状 在纳米定位技术中，压电陶瓷执行器具有位移精度与位移分辨率高、响 应快、功耗小、无噪声等优点，因而被广泛应用于微机械、微电子、计算机 应用、精密机械、精密加工、生物医学、机器人、航空航天等领域。 但要使压电陶瓷执行器达到所需的定位精度及动态特性，还必须同一定 的控制算法相结合。在压电陶瓷执行器的控制算法上，除了传统的p i d 控 制外，还出现了许多新的算法，如前馈控制、模糊控制、自适应控制、自学 习控制、神经网络控制、以及将某些方法结合起来的复合控制等。 胡晓东等采用p i d 方法对由压电陶瓷执行器驱动的超精密工作台进行 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 控制，从而使微定位系统的稳态定位精度提高，动态响应速度变快【3 。 r i c h t e r 等采用p i 控制，使压电陶瓷执行器阶跃响应的上升时间达到3 4 m s 3 4 1 。j u n g 等采用前馈控制法，使压电陶瓷执行器的定位精度得到了很大 的提高p ”。在扫描隧道显微镜探针高度的调节中，傅星、胡小唐将模糊控 制用于压电陶瓷执行器的控制，从而使其定位精度大大提高 3 郇。z q l u 等将单层神经网络控制同传统的p i d 控制相结合，构成了一个具有自适应 和自学习特点的神经网络控制系统，使压电陶瓷执行器取得了很高的定位精 度垆”。g ep i n g 等将前馈控制同p i d 反馈控制相结合，从丙使定位精度比开 环控制提高8 0 ，比单纯的前馈控制或p i d 反馈控制提高5 0 3 8 1 。因此， 要使压电陶瓷执行器实现高定位精度和高定位分辨率的纳米定位，应根据具 体的控制要求，对其采取不同的控制方法。 针对本课题的微加工系统，通过深入分析其工作过程，本文提出了一种 简单可靠的控制算法单点伺服、单边逼近、变参数单比例环节p i d 调 节。该算法简化了参数选择及调节过程，可以消除静差和超调，满足微加工 系统的工作要求，达到预期目的。 1 4 本课题研究内容 本课题的研究内容主要包括以下四个方面： 1 微加工系统的建立采用激光光杠杆微悬臂机械加工头和金刚石针 尖，结合三维微动工作台和单片机控制器组建微加工系统； 2 加工头铅垂方向( z 向) 加工反馈控制研究采用光杠杆法，通过单片 机控制器驱动三位微动工作台，带动加工头上下移动，由p s d 采集信号经 单片机控制器而构成反馈系统，维持工作台进给量与微悬臂反弹量之间的差 值恒定，以实现z 向加工深度的可控； 3 单片机控制器研制根据系统的控制要求，采用总线结构和模块化设 计，使用w 7 7 e 5 8 单片微处理器作为核心器件，设计专门的控制器，完成 深度可控的微加工，并编制控制器调试试验软件； 4 深度可控刻划试验使用微加工系统进行刻划加工试验，验证微加工 方法的可行性。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章微j ot 测量系统设计与分析 大多数的固体与固体表面的接触都发生在凸起点，因此基于a f m 针尖的 机械刻划加工可以把a f m 针尖模拟成一个单点尖锐的凸起点，利用针尖与样 品间作用力的改变在样品表面进行扫描刻划实现对表面的切削过程。在a f m 的应用中，只有其高度模式和偏压模式可以用于刻划加工，但由于a f m 起初 的设计目的是进行表面形貌检测，这两种模式的控制对象都不是刻划深度，因 此目前的a f m 尚不具备深度可控的刻划加工能力，这在一定程度上限制了 a f m 在刻划加工中的应用。另外，采用a f m 系统的针尖在平面内的移动主要 靠扫描导管的偏移实现，在微加工过程中不仅加工范围有限，而且由于扫描导 管存在漂移和滞后现象，很难保证加工时的尺寸精度和重复精度。 2 2a f m 刻划加工分析 a f m 应用于样品的表面成像时，使用的微悬臂较软，作用力通常在纳牛 级，是不会造成被测表面损伤的。在进行表面刻划时，金刚石针尖可以模拟成 一个尖锐的单点金刚石车刀口9 】，配备较硬的微悬臂，可以提供足以破坏样品表 面的作用力，从而达到微加工的目的。目前a f m 应用于刻划加工的方法主要 有两种：高度模式和偏压模式。 高度模式是a f m 在形貌检测中常用的一种控制模式。在这种模式下， a f m 的控制对象是微悬臂的变形在p s o ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) 上形成的位 置信号。在刻划加工中，a f m 控制扫描导管进行x 、y 向刻划加工移动的同 时，不断的调整其z 向的位移，以维持p s d 信号( 对应微悬臂的变形量) 不变， 从而在刻划加工过程中，实现样品与针尖之间韵作用力恒定。而这一恒定的 作用力，对应不同材料，其针尖压入深度是不同的；当垂直于刻划方向的进给 量变化时，针尖与样品的接触面积随之改变，从而也将影响到刻划加工深度。 如图2 1 所示，刻划深度h 随着垂直于刻划方向的进给量y 的增大而减小： y 2 y j 时，也 y 3 时，缸 h 3 。 图2 - 1 a f m 高度模式 f i g 2 - 1a f mh e i g h t m o d e 图2 - 2 a f m 偏压模式 f i g 2 - 2a f m d o f l e c t i o nm o d e 在以上的研究背景下，从提升a f m 加工能力和稳定性出发，使用金刚石 针尖作为加工工具，采用基于激光光杠杆微悬臂机械加工头，结合高精度三 维微动工作台组成微加工系统。直接控制刻划加工深度，利用专用控制器实时 控制工作台进给量与微悬臂反弹量的差值恒定，可以很好的解决a f m 单独用 于机械刻划加工时存在的缺点，而且也为三维加工的实现提供了可能性。 2 3 微加工系统构成及工作原理 该系统主要由基于激光光杠杆的微悬臂加工头、高精密三维微动工作台、 专用控制器和微加工机床台体组成。采用光学放大倍数为1 0 0 0 倍的c c d 光学 显微镜，用以目视探针定位及加工情况；定位精度在1 p a n 、工作范围为1 0 m m 左右、额定载荷为5 k g 的三维粗动工作台，用以初步调节加工头位置。加工过 程中，控制器实时记录工作台的z 向进给量和微悬臂的反弹量，并将其差值作 为控制对象，通过编程控制微动工作台的微量进给，保持微动工作台z 向进给 量与微悬臂反弹量的差值恒定，确保要求的加工深度。加工结束后，利用扫描 成像功能进行在线成像，并对成像结果进行检测分析，实现加工检测一体化。 堕奎鎏三些奎兰三兰堡圭兰堡鎏兰 微加工系统原理如图2 - 3 所示。 工作时激光器发出激光柬，经反射镜射到探针头部，并反射进入四象限 p s d 位置检测器中，转化为电信号，由前置放大器放大后送给单片机控制器构 成反馈回路，再由控制器将模拟信号转化为数字信号与计算机预先设定的加工 要求进行比较。控制器将偏差值d a 转化后驱动高精密三维微动工作台进行扫 描。当针尖在样品表面上扫描时，针尖和样品间的作用力引起微悬臂的变形， 从而导致了反射激光束在检测器中的位置发生改变。检测器中不同象限间所接 收到的激光强度代表微悬臂形变量的大小，在反馈电路的作用下，微悬臂变形 量通过工作台在z 方向上伸缩进行补偿。 图2 - 3 微加工系统原理图 f i g 2 - 3b l o c kd i a g r a mo f t h em i c r o - m a c h i n i n gs y s t e m 2 4 三维微动工作台工作原理 本系统采用p i 公司生产的高精密三维微动工作台p 5 1 6 3 c l ，其x 、y 和 z 向移动范围分别为1 0 0 1 - l m 、1 0 0 p m 和2 0 i _ u n ，x 、y 向重复定位精度为 士5 n m ，z 向重复定位精度为l n m 。该工作台控制箱由压电陶瓷( p z t ) 驱动放 大器模块、伺服控制模块和显示接口模块组成，可以选择不同模块实现不同 功能。试验中选用电容传感器伺服控制模块、显示模块和三通道低压压电陶瓷 驱动放大器模块。电容传感器对压电陶瓷驱动器进行位置伺服控制，保证工作 台的运动精度。显示模块在线显示p z t 的位置和输出电压。p z t 可通过面板 上的电位器或外部信号控制，本试验采用外部电压信号控制。三通道低压压电 堕查堡三些奎兰三兰璺圭兰竺笙銮 陶瓷驱动放大器模块上的三个c o n t r o li n t p u t 接口用来接收外部单片机控 制器发送的x 、y 和z 向的驱动电压信号，对工作台的三维运动进行在线控 制。加工时，电容传感器伺服控制模块上的所有伺服开关均设置为“o n ，以 消除戌玎的漂移、迟滞和非线性。此三维工作台既可保证微加工精度，同时 具有灵活的应用选择。 2 5 微加工头研究 2 5 1 微加工头构成及工作原理 微加工头结构如图2 - 4 所示。探针微悬臂3 经由微悬臂托架4 固定于加工 头基体1 上，加工头安装座2 用来连接加工头和高精密三维徽动工作台，激光 器9 发出激光经由反射镜8 射到微悬臂上，再经由反射镜7 反射进位敏传感器 6 ，激光器调节旋钮1 0 和p s d 调节旋钮5 用来调节光路。当探针与样品表面 接触后，微悬臂的变形将会引起p s d 上光斑位置的改变，从而引起反馈回路 电信号的改变。测量时，单片机控制器在驱动工作台进行x 、y 向扫描的同 时，记录z 向反馈回路电信号的变化，从而得到扫描范围内样品的表面形貌。 1 一加工头基体，2 - 力口工头安装座，3 探针，微悬臂组件，4 微悬臂托架， 5 一p s d 调节旋钮，6 - p s d ，7 、8 - 反射镜，9 一激光器，lo - 激光器调节旋钮 图2 - 4 微加工头结构原理圈 f 迪2 - 4s t r ；【l c t u r eo f t h em i c r o - m a c h i n i n gh e a d 刻划加工时，确保工作台x 、y 向进给的同时，通过p s d 反馈回路，控 堕查量三些奎耋三兰要圭兰竺鲨兰 制器实时记录微悬臂的z 向变形量和工作台的z 向迸给量，并将二者之差作为 控制对象与设定加工深度进行比对，驱动工作台z 向移动补偿加工深度的偏差 量，控制加工深度恒定，实现深度可控的三维微加工。 2 5 2 光敏位置检测器( p s d ) 测量原理及检测方法分析 p s d 是一种侧向效应硅光电器件，它是一种用来将光能转换为电能的固体 传感器。当p s d 吸收一个有足够能量的光子时，便产生一个电子空穴对，当 电子空穴对分离开，电子到达n 侧，空穴对到达p 侧时，便产生电流。p s d 光敏面两侧电极的输出电流与入射光在p s d 光敏面的位置有关，p s d 正是利 用这一特性而进行位置检测的1 4 0 。 p s d 光敏面受到某一入射光点照射，当器件表面电阻、节电容较均匀时， p s d 的输出电流 、五可用下式表示： 1 ：坐 f 2 - 1 1 厶 2 三 1 2 _ ：l + x 佗2 1 j o 2 三 。 式中卜总光生电流( a ) o e p s d 中点到信号电极间的距离0 u n ) ； 卜入射光点到p s d 中点的距离( 岬) 入射光点的位置可通过下式计算得到： 一：三生：尘 ( 2 3 ) 4 2 + l 上 。 若以p s d 光敏中心为原点，则： ，一， 彳= 等三( 2 4 ) 2 十1 从上式可以看出，只要测出( 厶一五) ( 1 2 + ) 就可求得入射点的位置 4 ”。 p s d 的优点在于入射光斑强度对位移检测没有影响，由式2 珥可知，这种影响 已经通过信号电流差与和相比而消去f 4 2 】。此外还可以只采用五和1 2 差的方式 作为反馈信号，这种情况下，为了消除光强对入射点位置的影响，由式2 - 4 可 以看出，必须在应用中维持这个差值为零，也可以保持入射点的位置为一个恒 值，但p s d 的输出值不能作为位置信号来处理。这种方法的优点是电路简 单。本微加工系统中即采用这种方法来进行光电流的检测。 芝玺堡三些查兰三兰堡圭耋竺鎏兰 2 5 3 激光光杠杆分析 图2 4 中，激光器，反射镜，微悬臂和p s d 构成本系统的光杠杆。它是以 微悬臂头部( 安装探针的位置) 背面作为支点，利用杠杆原理将微悬臂的变形量 进行放大的装置。图2 - 5 为本系统光杠杆的等效光路图。 a ) 实际光路图 图2 - 5 光杠杆光路图 f i g 2 - 5t h el i g h tp a t ho f t h el i g h t l e v e r b ) 等效光路图 图2 5 中，卢为微悬臂的安装角，c f = c d + d e 为等效光程，即激光从a 点经b 、c 、d 到e 和从a 点经b 、c 到f 在p s d 上产生的效果一样。p s d 的 等效安装角不再是9 0 。，由光学等效原理【4 3 】可得，p s d 的等效安装角 = 9 0 。+ ( 万一y ) 。工作中，当沿不同方向进行刻划时，图2 5 中c 点产生的 变形是不同的，下面对探针沿y 向和x 向刻划分别进行分析，寻找最优的刻 划加工方式。 图2 - 6 中，厶w 、f 分别代表微悬臂的长、宽、高，代表探针长度。b 、 风、b 分别代表样品作用在针尖上的x 、y 和z 向的作用力。本课题中，采用 长度，= 1 5 0 “m 的金刚石探针，微悬臂材料为不锈钢，其参数为：l = 3 5 0 l x r n ， l r ， w = 1 0 0 p r a ，t = 1 3 p m ，弹性系数k = 2 4 7 3n m ，弹性模量e = ! 等* 1 9 3 g p a ， w t 。 3 绕x 轴的转动惯量j = 鲁“1 8 3 1 0 - 2 0 m 4 ，泊松比取0 2 7 ，剪弯模量 l z g 2 可寿面4 7 6 g p a ，微悬臂安装角= 1 2 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 - 6 探针，微悬臂示意图 f i g 2 - 6d i a g r a mo f t h ep r o b e c a n t i l e v e r 当探针压入样品表面时，样品对微悬臂的作用力主要是e ，图2 - 5 中c 点 产生两种变形：沿z 向的挠度d 和绕c 点的转角o 嗍，如图2 ：7 所示。在p s d 上引起的光斑位置变化如图2 8 所示。 1 一针尖实际接触样品表面状态2 一假定微悬臂为剐性工作台进给s 后的状态 3 - 工作台进给s 后的实际状态 图2 7 针尖压入过程 f i g 2 - 7t h ep e n e t r a t i n gp r o c e d u r eo f t h e p r o b e 由光学原理【4 3 1 可求得c 点挠度和转角变化在p s d 上引起的光斑位置变化 为： 上u 削d 5 物三e c f 2 0 ( 2 5 ) 对于膨加工系统，u “c f ，因此作用力的改变所引起的转角对刻划深度的影 响远大于挠度的影响。 ( 1 ) 沿y 向刻划受力分析当沿y 向进行刻划加工时，针尖除了受到e 的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 作用外，还将受到刻划阻力毋的影响，由图2 - 7 知：毋也将使得图2 5 中c 点 产生两种变形：沿z 向的挠度d 和绕c 点的转角 。 幽2 8 ；、如作用p 微悬臂殳彤不葸圜 f i g 2 - 8d i a g r a mo f t h ec a n t i l e v e rd e f o r m a t i o nu n d e rt h e 触o f f za n d f y 由材料力学蛔和图2 - 5 、2 - 6 可得，在e 和毋作用下c 点产生的挠度和转 角分别为： 址= 垒塑耻学( 2 - 6 ) 址。一 哦2 2 1 产 q = f y x s i n f l j x i c o s f l xl 3 ，= f y x _ s 疆i n 广f l xz 2 ( 2 7 ) q = j i 一 ，= 疆广 ( 2 7 ) 由式2 - 5 、2 - 6 和2 - 7 可知，刻划加工过程中，e 和毋引起p s d 光斑位置 的变化量分别为： 她)=型删+cf3eix 2 x 警 j 2 戡 三( c ) = f y x s i n f l 面x c o s f l x l 3 跏庐+ c f 2 f yx 矿s i n f l x l 2 ( 2 9 ) 设q = 旦雩皇里，月= 竺2 e ，m 为毋和e 对探针影响的比值，摩擦系数 萨巧以，则由式2 - 8 和式2 - 9 可得： 一筹x 塑s i n e 。嵩2 r 等罴c f 黑c o s 鬻c 等o s 卵p ， f ( q t + e x ) 口i 口 若尸l 厶- 1 ”y 由材料力学m 、金属切肖f 原理h 习知识及文献 4 6 5 1 】可知，在固定微悬臂 和探针条件下，日与被加工样品的材料特性、切削参数等有关。样品材料可加 工性越好、刻划深度越小、刻划宽度( 垂直于刻蓟l 方向的讲给骨、撒小、沿刻韵i 方向的进给速度越小，a 越小；相反，则a 值越大。因此，由式2 1 0 可知，样 品材料可加工性越好、刻划深度越小、刻划宽度越小以及沿刻划方向的进给速 度越小，凡对微悬臂的影响越小，反之，则r 对微悬臂的影响越大。 在纳米压痕和刻划试验中，施加载荷冗范围通常为2 0 1 0 0 州，摩擦系 数a 范围通常为o 1 o 4 【拍弓”。由式2 1 0 可知，固定微悬臂、探针和外加载荷 的条件下，y 向力对针尖高度的影响与摩擦系数a 成线性关系。此处取e = 4 0 n ，a = 0 2 ，进行定量分析，由式2 - 6 、2 - 7 和2 1 0 可得，在上述设定参数 条件下，聊近似为4 2 5 ，虬* 6 7 r i m 。 ( 2 ) 沿x 向刻划受力分析当沿x 方向刻划时，针尖在受到z 向力作用的同 时，还受到x 向刻划阻力的作用，如图2 - 9 所示。x 向力将使微悬臂产生绕y 轴的扭角o 【勰】，从而影响针尖刻划深度。由图2 - 4 和材料力学可