[发明专利]基于原子力显微镜在薄壁微小球面加工微纳米结构的五轴加工装置及方法

说明书

 

技术领域

本发明属于微纳米结构加工领域，涉及一种基于AFM探针机械刻划在薄壁微小球面加工微纳米结构的装置及方法。

背景技术

随着纳米技术的快速进步和发展，微纳米加工技术应用越来越广泛，其主要目的是加工微纳米尺度的微小结构，使这些特殊微小结构应用到各类设备及系统中。如纳流控生物芯片使生物分子得以进行生物传输、生物分离以及生物检测；纳米尺度的传感器可以检测单个生物分子的重量；一个弹性体纳米通道设备可以控制DNA移位过程；一个纳米通道设备可以进行传输药品。原子力显微镜（AFM）作为扫描探针显微镜的一个分支，最初被用作纳米尺度科学研究的扫描检测工具，随着其逐渐发展，已从最初的表面形貌测量发展到纳米量级结构的加工，以改变材料表面形貌。与基于AFM加工微纳米结构的其他方法相比，机械刻划方法由于其技术可靠性强、对外界环境要求低、加工精度较高等优点，得到了更加广泛的应用。

激光核聚变(ICF)已成为当今全球重大前沿课题之一。ICF中所采用的微球是热核反应燃料的容器和所有能量束汇聚的中心，是直径介于0.2mm到几个毫米之间的空心球。在爆炸过程中很大程度上受到微球表面几何状态特征的影响，所以微球上的微结构特征对激光聚变点火的成功与否起着重要的作用。对于在微小球表面加工微结构的研究，目前为止仍然较少，且各种方法均存在着一定缺点。

发明内容

为了解决现有技术中在薄壁微小球面加工微纳米结构加工范围受限等问题，本发明提供了一种基于原子力显微镜在薄壁微小球面加工微纳米结构的五轴加工装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于AFM探针机械刻划在薄壁微小球面加工微纳米结构的装置，包括原子力显微镜（AFM）、二维微调心机构、精密气浮轴系、二维高精度定位平台和带动AFM进行转动的电动旋转台，二维微调心机构与精密气浮轴系的上端连接，精密气浮轴系的下端与二维高精度定位平台连接，二维高精度定位平台底座固连在AFM的样品台上，电动旋转台与AFM相连接。

基于上述加工装置实现的基于AFM在薄壁微小球面加工微纳米结构的方法，包括以下步骤：

一、将被加工微球固定在二维微调心机构上，对被加工微球和精密气浮轴系进行调心，确定精密气浮轴系旋转轴心与被加工微球球心；

二、寻找加工角度，确定AFM探针和精密气浮轴系回转中心的相对加工位置；

三、AFM探针在接触模式下接触被加工微球，使精密气浮轴系进行旋转，在指定环带上进行加工；

四、加工完成该环带的微纳米结构，通过控制电动旋转台使AFM探针回缩一定距离，改变AFM转动到另一角度，控制二维高精度定位平台到相应距离，重复步骤三，进行下一环带的加工。

五、重复步骤四，直至完成所有环带的加工。

本发明具有如下优点：

1、本发明利用原子力显微镜AFM的加工的优势，并且改善了在薄壁微球表面加工范围受限的问题，实现了基于AFM在薄壁微小球面加工微纳米结构。

2、本发明加工方法简单，无需复杂的加工系统，操作简单，并且可以在薄壁微球表面上得到精度达到纳米量级的微纳米结构。

3、本发明基于AFM恒力模式的工作原理，这样既可以保证所加工结构的一致性好，又能高效低成本地加工纳米尺度的微结构，且加工后还可以在线测量。

4、该方法具有加工范围不受限、加工效果好、效率高等优势。

附图说明

图1是本发明所述的一种基于AFM在薄壁微小球面加工微纳米结构装置的结构示意图；

图2是本发明所述的一种基于AFM在薄壁微小球面加工微纳米结构方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。