本发明属于微纳米制造技术领域，具体涉及一种利用飞秒激光控制硅基板及其它材料表面凸起成型的研究方法。
背景技术：
基于微纳米结构加工制造技术制造的微机械谐振器是一类非常重要的谐振器，其具有成本低廉、功耗小、高灵敏度和分辨率等一系列优点，大量的应用于加速度传感器、微光机电系统、无线通讯和微机械陀螺等技术领域。
硅是制造各种硅微机械谐振器的重要材料，它成型技术的多样性也就凸显其日益重要。在硅基板上制造出尺寸在微纳米级的三维微结构，完成对外界各种信息的感知，即可以形成一个微型传感器系统。一直以来，各个学科领域一直努力探索新的制造方法来控制特定的硅基板凸起的成型，进而能应用到微机械系统中。目前，与材料加工相关的一些实验性研究成果对形态变化规律分析大多存在不足，对其形变复杂运动机理无法给出合理的解释，以及加工实验中装置的设置，庞大的时间和资金要求都制约着其进一步发展和研究。为了更准确地把握在此过程中微米材料的形态变化规律，必须进一步理解利用激光热处理来完成此加工过程的理论机制。
飞秒激光可用于微纳米级的硅基材料的成型，在该领域有着非常重要的地位。利用飞秒激光来成型硅表面结构具有很大的难度，在该过程中涉及多种物理化学机理，这方面国内外的研究者还停留在实验的领域内，例如改变飞秒激光的波长λ和激光偏振角θ来研究硅基表面的成型；有些学者提出利用数值模拟仿真来模拟具体的成型过程，研究表明，飞秒激光成型硅基表面的过程可以简化为一维或者二维的温度场模型来模拟，为建立具体的数学模型模拟建立了基础。
而目前没有出现基于相场模型下不同材料表面凸起成型的研究方法。
技术实现要素：
基于上述目的，本发明公开了一种基于激光照射不同材料对表面微结构成型影响的研究方法。
本发明采取如下技术方案：
基于激光照射不同材料对表面微结构成型影响的研究方法，其如下步骤：
步骤一：利用飞秒激光照射硅基板，硅基板形成表面凸起；
步骤二：基于相场模型理论，构建数学模型，对硅基板凸起成型实验进行仿真分析；
步骤三：选取导热系数不同的其他材料基板，重复步骤一及步骤二，获得不同材料基板凸起成型的规律，从而可以观察是否符合和硅基板相同的凸起成型规律。
优选的，步骤一：将硅基板一端固定，呈悬臂梁状态；利用飞秒激光照射硅基板的自由端中部，短暂时间后，形成表面凸起；关闭激光脉冲发射器，利用原子力显微镜(AFM)观察凸起的形貌特征，并测量凸起的长径比。
优选的，步骤二：基于相场模型的理论，构建模型，对硅基板凸起成型实验进行仿真分析，并求解数学模型。
步骤三选取其他导热系数不同的材料基板替代步骤一的硅基板，而后重复步骤一及步骤二。优选的，步骤三：选取导热系数K较高的材料，重复步骤一至二，观察是否符合相同的凸起成型规律；选取导热系数K较低的材料，重复步骤一至二，观察是否符合相同的凸起成型规律。
优选的，使用半隐式傅里叶谱等计算方法求解相场数学模型。
使用半隐式傅里叶谱、半隐式向后差分公式等计算方法来推到硅相的运动方程，在模型中采用无量纲参数，避免不同的出事参数单位对最终仿真结果的影响。考虑硅原子的迁移率，改写(3)式：
▽·(M▽μ)＝A▽2μ’+Sμ (8)
上式中μ’是μ的线性部分。其中，Sμ＝▽(M▽μ)-A▽2μ'，线性部分A▽2μ'采用半隐式傅里叶谱方法中的隐式进行求解，而非线性部分▽(M▽μ)采用半隐式傅里叶谱方法中的显式进行求解。结合上述介绍的两种计算方法以及有限差分公式可将公式(8)转化为如下形式：
Pn＝AΔt[▽·(M▽μ1n)-2τ▽2cn+τch2▽4cn] (10)
上述公式(9)和(10)中的A和τ都是常数。采用傅里叶变换来推导变量c关于时间和空间的表达式。
上式中Dev＝3+4Δtτk2+2Δtτch2k4，插入符号‘∧’和下标k都代表傅里叶变换。
变量cn+1的求解过程如下：首先求化学势μ以及硅基板当中的温度场集中区域。解出公式(11)，就可以求出再通过傅里叶逆变换从而求出cn+1。
本发明方法操作过程如下：先将硅基板一端固定，打开飞秒激光脉冲发射器，照射自由端中部10s，关闭激光脉冲发射器，利用原子力显微镜(AFM)观察、测量凸起的直径与高度。利用相场模型，结合C语言进行编程，借助可视化仿真软件，对硅基板凸起成型实验进行仿真分析。进而设想，不同的基板材料是否符合硅基板的凸起成型规律，通过更换导热系数K不同的材料重复试验，验证设想。
相场模型是一种三维的动态数学模型，在本发明中用来验证和预测微纳米结构的凸起演化过程。本发明利用飞秒激光照射硅基板产生表面凸起，并使用三维数值模型，即相场法去模拟和预测激光成型硅基表面形态，进而提出一种发明思路，飞秒激光照射其它材料形成的凸起是否符合相同的成型规律。
本发明基于激光照射不同材料对表面微结构成型影响的研究方法。与现有技术相比较，本发明具有如下特点：
其一，本发明基于飞秒激光加工材料表面，加工周期短，加工方法易于控制，操作简便。
其二，使用飞秒激光为加工能源，无任何污染。
其三，本发明所提出的方法在加工环境上的要求仅为在室温(20℃)下，避免了高温环境下对材料的影响。
其四，本发明所提出的方法可以推广到不同导热系数K的材料上，为微谐振器重要元件的加工具有一定得指导意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实例或现有技术方案，下面将对实施例所需要的附图做简单介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实验所使用的实验台架及装置立体示意图；
图2为本发明实施实验使用硅基板时的示意图；
图3为本发明实施实验使用导热率K较大材料时的示意图；
图4为本发明实施实验使用导热率K较小材料时的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能更加的明显易懂，下面将结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。需要说明是，附图采用简化的形式且均使用非精确的比例，仅用以方便、明确的说明本发明实施例的目的。
搭建如图1所示实验设备，包括实验台架1、飞秒激光发射器2、硅基板夹紧板3，夹紧板3相当于尺寸结构的夹具设施，用于夹紧微米级的硅基板4，为避免热扩散影响实验结果，选用绝热材料。实验台架1用于固定飞秒激光发射器1和硅基板夹紧板3，且能调整飞秒激光发射器1与硅基板4的相对位置。
实验所用的硅基板尺寸为10.0×10.0×1.5um。
在激光照射之前，硅基板自由端处于室温状态下20℃。
利用夹紧板将硅基板固定呈悬臂梁状，使用飞秒激光(参数见表一)照射硅基板自由端中部位置，照射约10s后，激光照射部位由于温度升高，硅原子扩散至温度较高部位，进而形成表面凸起形貌。
表一(实验中使用的飞秒激光参数)
基于相场模型进行仿真模拟，对于飞秒激光照射下的硅原子扩散运动，先确定模型的“初态”，包括硅原子的热扩散系数、粒子坐标等。模型中的总自由能是根据Cahn-Hilliard model所推导出来的，其中材料的化学能和表面能：
其中，f(c,T)表示的是驱动硅原子发生扩散运动的化学能，表示的是材料的化学能，h是梯度能系数。变量c的值是由Cahn-Hilliard非线性方程以及质量守恒定律共同决定的。在相场模型中，变量c对整个空间及时间的运动表达式为：
M表示硅原子的迁移率。而α表示的是温度相关的系数。同时飞秒激光温度场可以通过热扩散方程来表示：
上述公式中，ρ为硅的密度、λ为硅的比热容、k为硅的导热系数、β为激光的吸收系数、R和I0分别表示的是飞秒激光激光束的半径，P为飞秒激光功率。通过计算上述运动方程指导体系处于平衡状态，可得到不同时间下的硅相形态变化。
使用半隐式傅里叶谱、半隐式向后差分公式等计算方法来推到硅相的运动方程，在模型中采用无量纲参数，避免不同的出事参数单位对最终仿真结果的影响。考虑硅原子的迁移率，改写(3)式：
▽·(M▽μ)＝A▽2μ’+Sμ (8)
上式中μ’是μ的线性部分。其中，线性部分采用半隐式傅里叶谱方法中的隐式进行求解，而非线性部分采用半隐式傅里叶谱方法中的显式进行求解。结合上述介绍的两种计算方法以及有限差分公式可将公式(8)转化为如下形式：
上述公式(9)和(10)中的A和τ都是常数。采用傅里叶变换来推导变量c关于时间和空间的表达式。
上式中Dev＝3+4Δtτk2+2Δtτch2k4，插入符号‘∧’和下标k都代表傅里叶变换。
变量cn+1的求解过程如下：首先求化学势μ以及硅基板当中的温度场集中区域。解出公式(11)，就可以求出再通过傅里叶逆变换从而求出cn+1。
基于该理论，使用C语言进行编程，借助可视化软件，对飞秒激光成型硅基板表面凸起进行实验仿真。实验和仿真结果都得到了硅基板上圆锥状的表面凸起，对比结果可以得到实验法和仿真结果基本一致。那么可以得到利用相场法来模拟硅基板表面凸起成型是可行的。
数值仿真中唯一的变量就是材料的导热率，故需要对材料的导热率值K进行设置变量实验。经过多次数值仿真，可以得到，材料的导热率和可以形成的最大凸起大致呈线性关系，导热率越高，可形成凸起的最大高度也就越大。
不失一般性，本发明提出利用不同材料的导热系数来控制表面凸起，通过更换不同的基板材料，改变导热系数K(见图2、3、4)，验证是否符合相同的成型规律，对之后其他微纳米级尺寸材料的表面成型加工具有一定的指导意义。
以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详尽说明。本领域的技术人员通过对上述例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质情况下，都落在本发明的保护范围中。