专利名称：微机械零件三维加工方法
技术领域：
本发明属于超精密加工方法，特别是微机械零件的三维加工方法。
背景技术：
微尺寸零件的加工技术主要有如下五种方法LIGA加工技术、三束加工技术、微细电火花加工技术(EDM)、RPM(Rapid Protyping/PartManufacturing)技术和基于扫描探针显微镜的加工技术。这里主要叙述基于扫描探针显微镜的微加工现状与发展。
1.LIGA技术是由半导体光刻工艺派生出来的采用光刻方法一次生成三维空间微机械构件的方法，它存在的缺点是LIGA工艺所需要的X射线同步辐射光源比较昂贵稀少，致使其使用受到限制。2.三束加工技术采用电子束光刻的方法，在PMMA上已实现8nm的图形，相当于PMMA两个分子，已达高分子抗蚀剂的极限。3.微细电火花加工技术(EDM)电火花加工是在一定的液体介质中利用脉冲放电对导电材料的电蚀现象来蚀除材料，从而使零件的尺寸、形状和表面质量达到预定技术要求的一种加工方法，这种方法对加工材料的要求比较严格，对于玻璃等非导体很难进行加工。4.RPM(Rapid Protyping/Part Manufacturing)技术该技术采用(软件)离散/(材料)堆积的原理而制造零件，通过离散获得堆积的顺序、路径、限制和方式，通过材料堆积“叠加”起来形成三维实体，这种技术的缺点是加工材料受限，主要用于聚合物的加工。5.基于扫描探针显微镜的加工方法扫描探针显微镜(SPM)的特点是利用探针与试件表面之间的多种相互作用，探测局域的微观特征信息。探测范围涉及表面局域的电子结构、几何形貌、力学特性、磁畴、自旋极化、静电分布、光学特性等。它应用不仅局限于对表面进行显微成像，它还可以作为一种表面加工工具在纳米尺度上对表面进行刻划与修饰，实现纳米加工。应用SPM所进行的纳米加工研究包括以下几个方面(1)利用SPM进行的单原子操纵用扫描探针显微镜(SPM)可以按照人们的意愿把表面原子或原子团从表面上某处移向另一处。
(2)SPM对金属、半导体等表面的直接刻写对于STM来说，通过快速缩短其针尖与样品的间距或在隧道结上加一脉冲偏压，就可在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，如坑、丘等。而对于AFM来说，通过控制其针尖与表面之间的作用力也会在接触区域产生相似的结构变化。
(3)SPM对表面的氧化技术及对涂覆抗蚀膜的样品表面进行曝光。SPM氧化技术的概念是很直观的一个导电的SPM针尖同一个加有偏压的稳定均质基底在1nm内保持接触，若有O2和H2O存在的情况下会导致基底材料的局部高度氧化，针尖和表面的结点附近会由于场强扫过场定义反应区而生成氧化性介质。利用3-10V的写入电压和高达1mm/s的扫描速度在不同类型的金属、半导体和绝缘基体上就会产生从10nm到20nm的不同线宽。SPM也被用来对超薄抗蚀膜进行曝光以作为加工器件的一种方法。SPM用于制造纳米电子线路的真正潜能并不只是在于它有能力提供精细尺度下的模板(电子束(e-beam)刻蚀也可产生10nm以下的线宽)，而是可以同时在加工过程中推论出功能性纳米结构性能信息。
(4)基于AFM金刚石针尖对表面所进行的微加工微结构的制造需要极小的加工误差，只有超精密或者基于刻蚀的技术才能实现高于1μm的精度。然而因为振动和变形的影响传统的切削和磨削技术的稳定切削厚度也只能最小保持在0.1μm。而原子力显微镜不仅可以提供纳米级的观察而且也可以利用其尖锐的针尖作为切削刃来实现纳米级的加工，它有能力突破传统单点切削加工的极限。迄今为止关于纳米加工的实验数据还很缺乏，并且对于材料的去除机理也了解的不多。为了控制纳米量级的加工过程我们有必要充分理解材料的去除机理。AFM的金刚石针尖可以模拟一个尖锐的单点金刚石车刀在工件表面进行切削，因此便有可能在变换不同的载荷下研究单点切削的材料去除过程。针尖作用于被加工表面的法向力及切削速度可以由AFM的电子组件加以控制。切削完成后AFM又可以作为成像工具对微加工区域进行定量化的表征，从这一点来看基于原子力显微镜(AFM)的加工技术也为我们理解材料的纳米去除机理提供了可能。
综上所述，国内外学者在基于扫描探针显微镜(SPM)纳米加工方面的研究大多集中于基于STM隧道电流效应的原子搬迁和表面刻蚀，以及基于原子力显微镜(AFM)的对材料的纳米刻饰方面。但是对基于原子力显微镜(AFM)金刚石针尖的纳米加工却研究不多。
以上方法的缺点和不足LIGA技术设备昂贵，只能加工二维或者准三维的结构；三束加工只能加工准三维的结构；微细电火花加工技术(EDM)对加工材料的要求比较严格，对于玻璃等非导体很难进行加工；RPM技术加工材料受限，主要用于聚合物的加工。
超精密金刚石车削加工方法是在超精密机床上完成的，目前其加工精度与金刚石加工机床的制造精度、控制精度、刀具形状等相关技术有直接的联系。而基于扫描探针显微镜的加工还只局限于平面二维微图形，没有形成一整套类似于超精密金刚石车削加工的加工机理与相关技术。利用SPM进行纳米加工的机理研究中，许多工艺参数没有相应的优化数据和曲线。
由于利用扫描探针显微镜加工微结构时，其显微镜参数没有经验设定值，也无前人研究这些加工参数的优化设计；同时结合三维工作台进行三维加工时，工作台的工作参数，如加工速度，加工进给量等如何设置以及与扫描探针显微镜工作参数之间如何很好的配合设置，也无人研究，而这些参数的优化设定和它们之间的良好配置是加工微机械三维零件的关键所在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加工材料不受限且加工精度高的微机械零件三维加工方法，它需结合微机械零件三维加工装置来实现，一种方法为首先，(1)将微机械零件三维加工装置上的三维工作台与主控计算机通过串口连接，三维加工装置上带有金刚石探针的扫描探针显微镜与主控计算机通过数据控制卡连接，(2)将扫描探针显微镜的加工参数设置为探针的扫描范围为0nm；扫描探针显微镜设为原子力显微镜Contact模式的Height模式；比例增益2，积分增益2；扫描速率1～3Hz之间；设定点电压2伏；三维工作台工作参数为工作台进给量80nm，针尖负载＞23μN，三维工作台三个方向的移动速度60～80μm/s；(3)将需要加工的三维图形按深度不同分成水平方向的几个图形，将每个图形待加工深度值分别设置为与相应的针尖负载相适应；同时，(4)将每个图形的X、Y方向尺寸值与工作台X、Y方向位移相适应的设置；(5)然后将表面质量光滑的待加工样品放在三维工作台上，使计算机进入工作状态，(6)当计算机接收到由键盘输入的“开始”信号后，(7)计算机通过伺服控制器和直线电机来控制金刚石探针及金刚石探针附着的弹性微悬臂同时下移，(8)激光器将激光打在弹性微悬臂的背面，并反射到位置检测器上，(9)检测位置检测器的输出值是否达到设定点电压值？当位置检测器的输出值等于设定点电压值时，(10)探针停止，(11)然后控制三维工作台垂直方向运动，使金刚石探针继续与被加工件接触并压入其中，(12)当压入的力与预设的针尖负载相等时，则计算机控制三维工作台停止垂直方向进给，工作台X、Y向开始加工第一个图形；(13)当位置检测器的输出值没有达到设定点电压值时，返回到“激光器将激光打在弹性微悬臂的背面，并反射到位置检测器上”步骤；(14)当加工完第一个图形后，计算机通过工作台控制器来控制三维工作台作Z向收缩运动而抬起探针，使其脱离样品表面；(15)判断是否将所有图形加工完毕？(16)是，结束加工，(17)否，计算机按预先输入的信息控制三维工作台作二维移动，将被加工件的下一个要加工区域移动到探针针尖下方，(18)然后返回到“计算机通过伺服控制器和直线电机来控制金刚石探针及金刚石探针附着的弹性微悬臂同时下移”步骤，开始加工下一个图形区域，直到加工完所有的图形后，结束加工；另一种方法为首先，(1)将三维工作台与主控计算机通过串口连接，三维加工装置上带有金刚石探针的扫描探针显微镜与主控计算机通过数据控制卡连接，(2)将扫描探针显微镜的加工参数设置为探针的扫描范围0nm；扫描探针显微镜设为原子力显微镜Contact模式的Height模式；比例增益2，积分增益2；扫描速率1～3Hz之间；设定点电压2伏；三维工作台工作参数为工作台进给量80nm，针尖负载＞23μN，三维工作台三个方向的移动速度60～80μm/s；同时，(3)将需要加工的三维图形的X、Y方向尺寸值与工作台X、Y方向位移相适应的设置，将需要加工的三维图形的Z方向尺寸设置为与工作台Z向位移相同的值；(4)然后将表面质量光滑的待加工样品放在三维工作台上，使计算机进入工作状态，(5)当计算机接收到由键盘输入的“开始”信号后，(6)计算机通过伺服控制器和直线电机来控制金刚石探针及金刚石探针附着的弹性微悬臂同时下移，(7)激光打在弹性微悬臂的背面，并反射到位置检测器上，(8)检测位置检测器的输出值是否达到设定点电压值？(9)否，则返回“激光器将激光打在弹性微悬臂的背面，并反射到位置检测器上”步骤；当位置检测器的输出值等于设定点电压值时，(10)探针停止，(11)然后控制三维工作台垂直方向运动，使金刚石针尖继续与被加工件接触并压入其中，(12)当压入的力与预设的针尖负载量相等时，则计算机控制三维工作台停止垂直方向进给，(13)三维工作台按预先设置的值开始在X、Y、Z向移动，(14)判断是否加工完图形？(15)是，则通过Z向扫描陶管作收缩运动抬起探针，或工作台垂直方向运动使被加工件脱离探针，(16)结束加工；(17)否，则返回到“三维工作台按预先设置的值开始在X、Y、Z向移动”步骤。本发明可以对不同的材料(金属，非金属或其它有机材料)进行加工；并可以进行真正的三维加工，去除量在纳米量级，对表面的破坏极小。本方法在很大程度上扩展了基于SPM针尖机械刻划的微加工能力，与传统的微加工技术相比，材料的选择范围更广，可以为单晶材料、有色金属、合金铝等。各种微结构可以通过两种加工方式或两种方式的组合实现，而工作台则使得加工过程易于控制，提高了加工精度，且在此基础上可以实现三维微结构的加工。因此这种方法为微/纳米尺度加工制造提供了一种新的选择，可以应用于MEMS器件、掩膜和微小模具的制造。
图1是本发明基于微动工作台的三维微加工系统原理示意图，图2是图1的I处放大图，图3是工作台Z向运动加工三维结构原理图，图4是使用本发明方法加工出来的具有两个相关区域的加工结构示意图，图5是工作台进给量对加工深度的影响曲线示意图，图6是针尖切削状态立体示意图，图7是针尖切削状态平面示意图，图8是工作台进给量对加工表面粗糙度的影响曲线示意图，图9是针尖负载对加工深度的影响曲线示意图，图10是针尖负载对表面粗糙度的影响曲线示意图，图11是工作台移动速度对加工深度的影响的曲线示意图，图12是工作台移动速度对表面粗糙度的影响的曲线示意图，图13是具体实施方式
三在加工之前将图形分成几部分的示意图，图14是具体实施方式
三的加工结构示意图，图15是本发明一种实现方法的流程图，图16是本发明另一种实现方法的流程图，图17是图7的L处放大图。
具体实施例方式
具体实施方式
一本实施方式为利用SPM结合微动三维工作台，获得微三维结构(或三维零件)的一种方式通过改变水平方向XY平面内的SPM扫描形状与范围，同时通过在XY平面内移动工作台，可以实现凹或凸的三维结构加工。如图3所示，它的加工顺序如下在AB段针尖与表面处于加工状态，BC段针尖与表面由于工作台Z向向下移动使针尖与被加工样品脱离相互作用，故不加工表面，CD段通过Z向工作台的运动又恢复AB段的状态，继续加工，这样就完成了AB、CD两段的加工而保留了BC段没有被加工。
它的加工方法为首先，(1)将微机械零件三维加工装置上的三维工作台与主控计算机通过串口连接，三维加工装置上带有金刚石探针的扫描探针显微镜与主控计算机通过数据控制卡连接，(2)将扫描探针显微镜的加工参数设置为探针的扫描范围为0nm；扫描探针显微镜设为原子力显微镜Contact模式的Height模式；比例增益2，积分增益2；扫描速率1～3Hz之间；设定点电压2伏；三维工作台工作参数为工作台进给量80nm，针尖负载＞23μN，三维工作台三个方向的移动速度60～80μm/s；(3)将需要加工的三维图形按深度不同分成水平方向的几个图形，将每个图形待加工深度值分别设置为与相应的针尖负载相适应；同时，(4)将每个图形的X、Y方向尺寸值与工作台X、Y方向位移相适应的设置；(5)然后将表面质量光滑的待加工样品放在三维工作台上，使计算机进入工作状态，(6)当计算机接收到由键盘输入的“开始”信号后，(7)计算机通过伺服控制器和直线电机来控制金刚石探针及金刚石探针附着的弹性微悬臂同时下移，(8)激光器将激光打在弹性微悬臂的背面，并反射到位置检测器上，(9)检测位置检测器的输出值是否达到设定点电压值？当位置检测器的输出值等于设定点电压值时，(10)探针停止，(11)然后控制三维工作台垂直方向运动，使金刚石探针继续与被加工件接触并压入其中，(12)当压入的力与预设的针尖负载相等时，则计算机控制三维工作台停止垂直方向进给，工作台X、Y向开始加工第一个图形；(13)当位置检测器的输出值没有达到设定点电压值时，返回到“激光器将激光打在弹性微悬臂的背面，并反射到位置检测器上”步骤；(14)当加工完第一个图形后，计算机通过工作台控制器来控制三维工作台作Z向收缩运动而抬起探针，使其脱离样品表面；(15)判断是否将所有图形加工完毕？(16)是，结束加工，(17)否，计算机按预先输入的信息控制三维工作台作二维移动，将被加工件的下一个要加工区域移动到探针针尖下方，(18)然后返回到“计算机通过伺服控制器和直线电机来控制金刚石探针及金刚石探针附着的弹性微悬臂同时下移”步骤，开始加工下一个图形区域，直到加工完所有的图形后，结束加工。
具体实施方式
二参见图1，将一个表面质量光滑的待加工的单晶铜片放在三维工作台上。先调整并设置好SPM参数值和工作台的工作参数，如进给量、扫描速度、表征垂直压力的Setpoint设定电压，通过人为控制计算机的键盘，控制SPM系统的控制器使加工探针逼近样品，探针达到样品并嵌入样品表面，在达到我们所选的SPM设置值后自动停止，并驱动工作台开始在XY水平平面内扫描加工，加工时表征垂直压力的Setpoint设定电压保持恒定。当加工出一个圆、图形或正方形槽A区后(参见图4，亦即图3的AB段)，人为控制计算机键盘及通过SPM控制器抬起探针，这时再通过控制工作台工作使被加工样品移动(移动的距离为图3的BC段)，使探针针尖按所设计的加工图形移动到被加工样品的相应位置上方(到达图3的CD段上方)，再人为操作计算机键盘使探针重新压入被加工样品进行加工，即加工图4的B区域，A、B区域(也可以由多个区域)组成不同的微结构相互关联。采用这种通过工作台定位移动的方法就可以加工出三维微结构。
具体实施方式
三本实施方式为加工如图14所示图形时的加工步骤首先，将需要加工的图形按水平方向分成六个矩形，如图13所示，计算机按预先设计的路径加工图形控制三维工作台垂直方向运动，使金刚石针尖与被加工件接触并压入其中，当压入的力即预设的针尖负载达到所设计的矩形1的加工深度要求后，计算机控制三维工作台停止垂直方向进给，工作台X、Y向开始自动加工矩形1，当加工完矩形1后，计算机控制三维工作台作Z向收缩运动而抬起探针，使其脱离样品表面，这时计算机通过程序控制微动三维工作台作二维移动，将被加工件的下一个要加工区域矩形2移动到探针针尖下方，然后返回到控制探针下移逼近、压入被加工件等的步骤，加工矩形区域2，这里矩形2的加工深度由事先预先设计的针尖负载(如果矩形2的加工深度与矩形2一致，则针尖负载与第一个一样，如果深度不一致，则按事先设计图形的深度由计算机自动调整负载)，依次类推，加工矩形3，4，5，6，且分别按要求设置针尖负载，直到加工完所有的图形后，结束加工。
具体实施方式
四本实施方式是通过动态的改变表征垂直压力的Setpoint设定电压值来实现加工切削力的动态变化，从而实现三维加工。参照图3，其加工顺序为在AB段针尖与表面处于加工状态时，此时设定点电压设为较大值，BC段不需要加工，故设定点电压设为较小值约为0.2V，CD段与AB段的状态一样，设定点电压设为较大值，继续加工，这样就完成了AB、CD两段的加工而保留了BC段没有被加工。从而加工出三维结构。
加工方法为首先，(1)将三维工作台与主控计算机通过串口连接，三维加工装置上带有金刚石探针的扫描探针显微镜与主控计算机通过数据控制卡连接，(2)将扫描探针显微镜的加工参数设置为探针的扫描范围0nm；扫描探针显微镜设为原子力显微镜Contact模式的Height模式；比例增益2，积分增益2；扫描速率1～3Hz之间；设定点电压2伏；三维工作台工作参数为工作台进给量80nm，针尖负载＞23μN，三维工作台三个方向的移动速度60～80μm/s；同时，(3)将需要加工的三维图形的X、Y方向尺寸值与工作台X、Y方向位移相适应的设置，将需要加工的三维图形的Z方向尺寸设置为与工作台Z向位移相同的值；(4)然后将表面质量光滑的待加工样品放在三维工作台上，使计算机进入工作状态，(5)当计算机接收到由键盘输入的“开始”信号后，(6)计算机通过伺服控制器和直线电机来控制金刚石探针及金刚石探针附着的弹性微悬臂同时下移，(7)激光打在弹性微悬臂的背面，并反射到位置检测器上，(8)检测位置检测器的输出值是否达到设定点电压值？(9)否，则返回“激光器将激光打在弹性微悬臂的背面，并反射到位置检测器上”步骤；当位置检测器的输出值等于设定点电压值时，(10)探针停止，(11)然后控制三维工作台垂直方向运动，使金刚石针尖继续与被加工件接触并压入其中，(12)当压入的力与预设的针尖负载量相等时，则计算机控制三维工作台停止垂直方向进给，(13)三维工作台按预先设置的值开始在X、Y、Z向移动，(14)判断是否加工完图形？(15)是，则通过Z向扫描陶管作收缩运动抬起探针，或工作台垂直方向运动使被加工件脱离探针，(16)结束加工；(17)否，则返回到“三维工作台按预先设置的值开始在X、Y、Z向移动”步骤。
具体实施方式
五将一个表面质量光滑的待加工单晶铜片放在三维工作台上并选取待加工区域。先调整并设置好SPM参数值和工作台的工作参数(如进给量、扫描速度、表征垂直压力的Setpoint设定电压)，这里的决定施加的垂直载荷的SPM的Setpoint设定电压值是动态可变的，并由图1中的数据控制卡给SPM仪器控制探针的上下动态运动。通过人为控制计算机的键盘，控制SPM系统的控制器使加工探针逼近样品，探针达到样品并嵌入样品表面，在达到我们所选的SPM设置值后自动停止，并开始在XY水平平面内扫描加工。这时在探针的一个扫描行程中，计算机按事先设置好的动态电压值控制探针的上下动态运动，即图3的AB、BC、CD段在探针的一个扫描行程内。采用这种通过探针上下动态运动的方法也可以加工出三维微结构。
具体实施方式
六本实施方式中，具体的SPM参数设置选择如下探针的扫描范围为0μm～100μm；在加工过程中，原子力显微镜设为Contact模式的Height模式；比例增益2，积分增益2；优化SPM系统闭环响应的速度，故设置扫描速率1～3Hz；设置设定点电压在0～2伏之间。
具体实施方式
七由于工作台的三个工艺参数进给量、针尖负载和工作台移动速度对微加工结果均能产生影响，而且它们之间相互影响、相互制约，为了更好地讨论某一个参数的优化取值，这里先固定另两个参数的值(1)基本参数针尖负载F＝50～70μN；扫描频率2Hz；(2)工作台进给量优化值80nm；(3)工作台进给量优化值取80nm时其他参数为(即如何得到进给量为80nm)针尖圆弧半径50～100nm；工作台速度70μm/s；针尖负载57.7μN所选被加工材料单晶铜的表面粗糙度为小于10nm。
以下文字和图形表述了工作台进给量对加工结果的影响条件为针尖负载F＝57.7μN，针尖扫描频率为2Hz，通过串口传输字符串命令控制微动工作台的进给量，实现针尖变进给量刻划，图5为不同工作台进给量对加工深度的影响。
加工深度值由被加工区域截面平均深度确定。由图5可以看出，针尖刻划深度随着进给量的增大逐渐变小，而进给量越小，加工深度则越深。现简单分析产生这种现象的原因。把金刚石针尖模拟成一个单点金刚石车刀时，相当于一个具有负前角的车刀进行切削加工，其切削过程和受力状态如图6和7所示，其中图7为进给方向上的截面图。
由于AFM选择的是恒力模式，因此在切削过程中不管其他参数如何变化，针尖所受的垂直载荷Fz始终保持不变，这与传统的超精密车削不同。超精密车削时，由于金刚石车刀为刚性体，若切削用量发生变化，切削力也将随之变化，它是一个动态变化量，在进给量发生变化的时候，背吃刀量并不会相应改变。从图6可以看出，在切削过程中，针尖受到材料表面的挤压和摩擦力的垂直分量需与施加于针尖的垂直载荷Fz相平衡，这样才能维持稳定的切削。而由于针尖在垂直于扫描方向作进给运动，因此从针尖扫描的第二条线开始，针尖处于单面受力状态，为了维持与Fz的平衡，需增大样品对针尖的作用力。类似传统切削理论定义切削面积Ac，如图7和图17所示，为网格区域和黑块区域之和，把此曲边平行四边形近似为以平行四边形，则可以得出切削面积为Ac＝h·f，其中f为工作台进给量，h为切削深度，即切削层的厚度。
显然，增加切削面积Ac可以使变形力增大，摩擦力增大，从而达到垂直方向上与Fz的平衡。而小的进给量，要想实现增大切削面积的目的，只能增加切削深度，这也是加工过程中切削深度随着进给量减小而逐渐增大的原因。
从实验曲线上同样可以看出，在进给量小于约100nm时，针尖刻划深度与进给量近似成线性关系。进给量约为120nm时，加工表面开始呈现沟槽状结构，即针尖刃形复映，而在进给量大于120nm后沟槽变得更为明显，如图7和图17所示，f越大，样品表面切削后的残留材料面积(即黑块部分面积)也越大，当f足够大时，已不能保证连续的针尖切削状态形成完整的加工表面，并出现沟槽状结构；相反f越小时，越多面积样品在针尖的挤压应力作用下部分材料被去除，部分发生塑性变形与回弹并最终形成较平整的表面。
图8为工作台进给量对加工表面粗糙度的影响。加工表面粗糙度值由AFM系统的内置程序计算直接得出。由于针尖圆弧半径的存在，在已加工表面上会形成如图7和图17所示的残留面积(图示黑块部分)，此残留材料高度和切屑形成加工表面粗糙度的主要表征。随着工作台进给量的逐渐增大，加工表面粗糙度逐渐变小，在进给量约为80nm处时表面质量达到最好，之后由于出现沟槽结构，表面粗糙度略大于原样品表面粗糙度，并基本保持不变。根据传统的金刚石车刀超精密切削理论，减小进给量可以使加工表面粗糙度值减小。从理论上讲，本实验中加工表面质量也应该随着进给量的减小而得到改善，但却得到相反的结果，出现这种现象的原因在于铜金属为塑性材料，且粘结性较强。由上述结论，随着进给量逐渐减小，加工深度逐渐变深，去除材料也相应增多，而切屑难以有效的排出，因此此时影响加工表面的粗糙度的主要因素是产生的切屑而不是残留物的高度，在一定值(本实验约为80nm)以下减小进给量反而造成表面粗糙度值的增大。在进给量约大于80nm后，随着进给量的逐渐增大，残留样品材料的高度取代切屑成为影响加工表面质量的主要因素，于是随着进给量的逐渐增大，加工表面粗糙度值逐渐增大，直至沟槽的出现。
由上述结果及讨论可以看出，进给量过大，难以形成连续的切削加工表面，进给量过小，增加了切削深度，但同时也产生切屑堆积难以排出的问题，且加工效率降低。因此应综合考虑被加工材料性能，加工表面质量以及加工深度要求等多种因素，适当的选择工作台进给量，本实验中，进给量选择约80nm为宜。
针尖负载由针尖悬臂弹性常数、垂直方向扫描头的灵敏度和加工时表征垂直压力的Setpoint设定电压决定。这里前两个参数由探针悬臂的生产厂家提供，是不变的，因此这里的加工工艺主要讨论决定加工深度和加工表面粗糙度的针尖负载。
以下文字表述了针尖负载对加工结果的影响根据上述实验结果，选取恒定进给量为80nm，改变AFM的DeflectionSetpoint参数对针尖施加不同载荷。针尖与样品表面的接触力由针尖悬臂弹性常数、Z向压电扫描陶管灵敏度以及Setpoint电压值共同确定，本实验中扫描陶管灵敏度为228.9nm/v，Setpoint电压值由针尖与样品表面初始接触电压值和Deflection Setpoint值相加得到。针尖在不同负载下对样品表面的刻划深度曲线如图9所示。
由图中曲线可以看出，在大于约23.8μN的负载后，随着负载的增加，加工深度呈线性增加趋势。对曲线进行线性拟合，得到当负载F≈23μN时，刻划深度值等于零，与实验结果基本吻合，因此可以认为针尖载荷大于23μN时刻划深度与负载近似成线性关系。23μN的负载可以看作是能够对该样品表面进行刻划的施加在针尖上的载荷阈值。这个阈值的出现是因为样品表面产生的氧化层的厚度足以抵抗小于23μN的刻划力对表面产生破坏，即应由样品材料特征和组织形态确定。比较图5和图9，在加工深度与工作台进给量和针尖负载成线性关系前提下，通过计算两条曲线斜率可知图9中曲线斜率绝对值大于图5，可以得出结论针尖负载对加工表面深度的影响大于工作台进给量的影响，因此当加工深度为加工要求中主要目标时，应优先考虑改变针尖负载，以提高系统加工过程中的响应速度。
图10为针尖负载与加工表面粗糙度之间的关系曲线，随着针尖负载的增加，表面粗糙度值逐渐上升，表面质量变差。随着施加在针尖上的负载的增大，被加工表面刻划深度随之增加，被去除材料的增多影响了表面质量，同时由于针尖三棱锥形轮廓的影响决定了负载增加的同时，针尖锲入材料的深度也逐渐变深，在加工状态难以保证绝对稳定的条件下，也会使得加工表面的粗糙度变大。因此在保证一定加工深度的前提下，应适当减小施加与针尖的垂直载荷，达到改善表面质量的目的。
具体实施方式
八本实施方式选取的初始参数为针尖负载70μN；工作台进给量80nm；最后优化出的工作台速度为60～80μm/s。
以下文字和图形表述了工作台移动速度对加工结果的影响在普通切削加工中，切削速度的变化将影响切削变形，并影响加工表面的粗糙度，尤其是加工塑性材料时，提高切削速度可以在很大程度上改善表面质量。因此在本实验也考虑了工作台的移动速度是否对加工结果产生影响。
实验中选取针尖负载为70μN，工作台进给量选择80nm。图11为不同工作台移动速度与加工深度之间的关系曲线，从图11中可以看出，针尖相对于工作台切削速度的改变对加工深度几乎没有影响。从工作台速度与加工表面粗糙度的关系曲线可知(参见图12)，切削速度的改变对加工表面质量影响也不很明显，但随着速度的增加加工表面粗糙度略有减小的趋势。因此提高工作台移动速度既可以提高加工效率，又可以在一定程度上改善表面质量，但由于受到工作台自身特性的限制，同时考虑到薄膜表面的缺陷和不均匀性可能对针尖造成的损害，以及加工过程中的振动因素影响，工作台速度不宜太快，一般选择60～80μm/s左右。
本发明把三维微动工作台叠加到扫描探针显微镜组成系统进行微加工的方法，研究了加工过程中，主要工作参数包括针尖负载、工作台进给量以及工作台移动速度对加工深度和加工表面质量的影响。得出结论增加针尖负载和减小进给量都可以增加刻划深度，针尖负载对加工深度的影响多于工作台进给量；负载的增加会加大加工表面的粗糙度，过大的进给量则难以形成完整的加工表面；工作台移动速度对加工深度没有影响，对加工表面质量的影响并不明显，但加大切削速度能对表面质量起到一定的改善作用。因此为了能加工出满意的微结构，应该综合考虑这几个因素，适当选择工作台进给量，在保证加工深度的前提下，针尖负载不宜太大，以改善表面质量，工作台速度的选择应尽量避免针尖的意外损坏。
权利要求
1.一种微机械零件三维加工方法，其特征在于本方法需结合微机械零件三维加工装置来实现首先，(1)将微机械零件三维加工装置上的三维工作台与主控计算机通过串口连接，三维加工装置上带有金刚石探针的扫描探针显微镜与主控计算机通过数据控制卡连接，(2)将扫描探针显微镜的加工参数设置为探针的扫描范围为0nm；扫描探针显微镜设为原子力显微镜Contact模式的Height模式；比例增益2，积分增益2；扫描速率1～3Hz之间；设定点电压2伏；三维工作台工作参数为工作台进给量80nm，针尖负载＞23μN，三维工作台三个方向的移动速度60～80μm/s；(3)将需要加工的三维图形按深度不同分成水平方向的几个图形，将每个图形待加工深度值分别设置为与相应的针尖负载相适应；同时，(4)将每个图形的X、Y方向尺寸值与工作台X、Y方向位移相适应的设置；(5)然后将表面质量光滑的待加工样品放在三维工作台上，使计算机进入工作状态，(6)当计算机接收到由键盘输入的“开始”信号后，(7)计算机通过伺服控制器和直线电机来控制金刚石探针及金刚石探针附着的弹性微悬臂同时下移，(8)激光器将激光打在弹性微悬臂的背面，并反射到位置检测器上，(9)检测位置检测器的输出值是否达到设定点电压值？当位置检测器的输出值等于设定点电压值时，(10)探针停止，(11)然后控制三维工作台垂直方向运动，使金刚石探针继续与被加工件接触并压入其中，(12)当压入的力与预设的针尖负载相等时，则计算机控制三维工作台停止垂直方向进给，工作台X、Y向开始加工第一个图形；(13)当位置检测器的输出值没有达到设定点电压值时，返回到“激光器将激光打在弹性微悬臂的背面，并反射到位置检测器上”步骤；(14)当加工完第一个图形后，计算机通过工作台控制器来控制三维工作台作Z向收缩运动而抬起探针，使其脱离样品表面；(15)判断是否将所有图形加工完毕？(16)是，结束加工，(17)否，计算机按预先输入的信息控制三维工作台作二维移动，将被加工件的下一个要加工区域移动到探针针尖下方，(18)然后返回到“计算机通过伺服控制器和直线电机来控制金刚石探针及金刚石探针附着的弹性微悬臂同时下移”步骤，开始加工下一个图形区域，直到加工完所有的图形后，结束加工。
2.一种微机械零件三维加工方法，其特征在于本方法需结合微机械零件三维加工装置来实现首先，(1)将三维工作台与主控计算机通过串口连接，三维加工装置上带有金刚石探针的扫描探针显微镜与主控计算机通过数据控制卡连接，(2)将扫描探针显微镜的加工参数设置为探针的扫描范围0nm；扫描探针显微镜设为原子力显微镜Contact模式的Height模式；比例增益2，积分增益2；扫描速率1～3Hz之间；设定点电压2伏；三维工作台工作参数为工作台进给量80nm，针尖负载＞23μN，三维工作台三个方向的移动速度60～80μm/s；同时，(3)将需要加工的三维图形的X、Y方向尺寸值与工作台X、Y方向位移相适应的设置，将需要加工的三维图形的Z方向尺寸设置为与工作台Z向位移相同的值；(4)然后将表面质量光滑的待加工样品放在三维工作台上，使计算机进入工作状态，(5)当计算机接收到由键盘输入的“开始”信号后，(6)计算机通过伺服控制器和直线电机来控制金刚石探针及金刚石探针附着的弹性微悬臂同时下移，(7)激光打在弹性微悬臂的背面，并反射到位置检测器上，(8)检测位置检测器的输出值是否达到设定点电压值？(9)否，则返回“激光器将激光打在弹性微悬臂的背面，并反射到位置检测器上”步骤；当位置检测器的输出值等于设定点电压值时，(10)探针停止，(11)然后控制三维工作台垂直方向运动，使金刚石针尖继续与被加工件接触并压入其中，(12)当压入的力与预设的针尖负载量相等时，则计算机控制三维工作台停止垂直方向进给，(13)三维工作台按预先设置的值开始在X、Y、Z向移动，(14)判断是否加工完图形？(15)是，则通过Z向扫描陶管作收缩运动抬起探针，或工作台垂直方向运动使被加工件脱离探针，(16)结束加工；(17)否，则返回到“三维工作台按预先设置的值开始在X、Y、Z向移动”步骤。
3.根据权利要求1或2所述的微机械零件三维加工方法，其特征在于加工过程中精密工作台的具体参数优化为工作台进给量80nm，针尖负载70μN，工作台移动速度60～80μm/s。
4.根据权利要求1或2所述的微机械零件三维加工方法，其特征在于加工过程中精密工作台的具体参数优化为工作台进给量80nm，针尖负载50～70μN，工作台移动速度70μm/s。
5.根据权利要求1或2所述的微机械零件三维加工方法，其特征在于被加工材料的表面粗糙度小于10纳米时，优化选择的工作参数为工作台进给量为80nm，针尖圆弧半径50～100nm，工作台速度70μm/s，针尖负载57.7μN。
全文摘要
微机械零件三维加工方法，它属于一种超精密加工方法。现有诸多微机械零件的加工方法存在只能加工准三维结构等弊端。本发明两种方法都需结合现有的微机械零件三维加工装置来实现依次设置扫描探针显微镜等的工作参数，将样品放在三维工作台上，通过控制工作台X、Y向运动开始加工第一个图形；当加工完第一个图形后抬起探针，工作台作二维移动后开始加工下一个图形，直到加工完所有的图形。另一种方法是，三维工作台按预先设置的值在X、Y、Z向移动，一次加工完全部图形后，通过扫描陶管作收缩运动抬起探针，结束加工。本发明方法可以进行真正的三维加工，去除量在纳米量级，对表面的破坏极小，它可以应用于MEMS器件、掩膜和微小模具的制造。
文档编号G05B19/18GK1564094SQ20041001361
公开日2005年1月12日 申请日期2004年3月15日 优先权日2004年3月15日
发明者阎永达, 孙涛, 赵清亮, 董申, 梁迎春, 胡振江 申请人:哈尔滨工业大学