本发明属于纳米技术领域，尤其涉及一种形貌参数可控的微纳探针批量制备装置及方法。
背景技术：
微纳探针广泛的应用于扫描隧道显微镜、原子力显微镜、微纳热电偶等领域，不同领域的应用对微纳探针的形貌有不同的要求，因此对最终制备得到的微纳探针形貌进行控制具有重要意义。
电化学腐蚀是目前制备微纳探针的重要手段之一，但存在着对最终制备得到的探针形貌无法预知的问题，只能通过多次的制备来挑选出形貌适合的微纳探针，并且每次在人员参与下只能制作一根微纳探针或者批量制备但不具备较高的控制精度，总体效率不高。
技术实现要素：
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种形貌参数可控的微纳探针批量制备装置及方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种形貌参数可控的微纳探针批量制备装置，包括z轴电机模组、x轴电机模组、电解反应模块、多通道微探针夹持模组和控制器；所述控制器包括微处理器，微处理器分别连接步进电机驱动器、步进电机细分驱动器、动态细分控制器、电解控制模块、多通道DA转换器、人机交互控制器；步进电机驱动器与x轴电机模组相连接，x轴电机模组与多通道微探针夹持模组相连接；动态细分控制器连接步进电机细分驱动器，步进电机细分驱动器连接z轴电机模组，z轴电机模组1连接电解反应模块；多通道DA转换器通过功率放大模块与电解控制模块相连接，电解控制模块与电解反应模块相连接；用户通过人机交互控制器设定所需的微纳探针形貌参数，微处理器将形貌参数转换为相应的控制量。
进一步地，所述多通道微探针夹持模组由若干微探针夹具组成。
进一步地，所述电解反应模块上设置电解反应槽、清洗槽和绝缘处理槽。
进一步地，所述微处理器判断z轴电机模组的低细分运动模式和高细分运动模式，所述动态细分控制器通过继电器开关改变步进电机细分驱动器的细分模式。
进一步地，所述电解控制模块包括多通道DA转换器1、多通道DA转换器2、多通道AD转换器、功率放大模块、高速电压比较器和高速开关管；多通道DA转换器1、多通道DA转换器2、多通道AD转换器与微处理器相连接；高速电压比较器与多通道DA转换器2、多通道AD转换器、高速开关管相连接；多通道DA转换器1通过功率放大模块与高速开关管相连接。
一种形貌参数可控的微纳探针批量制备方法，包括步骤：
(1)用户通过人机交互控制器设定所需的微纳探针形貌参数，微处理器将形貌参数转换为相应的控制量；
(2)x轴电机模组带动多根微纳探针到电解反应槽正上方，z轴电机模组控制浸没入腐蚀液相应深度；到达相应位置后，微处理器控制多通道DA转换器给出电解电压；
(3)通过多通道AD转换器检测电解过程中的反应特征，结合预测算法以及所需的回路电流切断延时大小，动态的给出高速电压比较器最合适的参比电压；
(4)参比电压通过多通道DA转换器2输出到高速电压比较器，高速电压比较器通过高速开关管来控制回路电流的切断，不同的参比电压会带来不同的回路电流切断延时；
(5)在微处理器检测到反应终止后，通过z轴电机模组将制备好的微纳探针提出腐蚀液，通过x轴电机模组带动多根微纳探针完成剩余步骤。
进一步地，步骤(2)中选择动态腐蚀方法，通过动态细分控制器提高z轴电机模组移动精度，在反应进行的相应时刻以微米尺度上缓慢抬起微纳探针。
有益效果：本发明设计了动态细分控制器，兼顾了电机运动的速度和精度，能够让电机在长距离快速运动和短距离高精度移动；采用工序转移模组和工艺平台分立移动设计以及多通道微探针夹持模组，拆分了单个模块的多维运动，让工艺平台完成转移模组在z轴反向的运动，提高了控制精度，降低了系统制作难度和成本，降低了装配的难度，同时也能够单次完成多根微纳探针的制备，具有高效、高成品率和易用性特点。
本发明提出的电压预测控制算法可以预测断针点发生时间点，从而能够控制回路电流切断提前量或滞后量，因此实现了对电化学腐蚀法制备微纳探针中回路电流切断时间的控制，由此达到了控制最终微纳探针形貌的目的。
本发明设计了电化学法制备微纳探针过程中探针浸没深度、腐蚀过程的静态动态变换、腐蚀电压数值及回路电流切断时间综合控制，相较于已有技术只能对其中单个或少量几个进行独立的手动控制或自动控制，本发明具有全面性及综合性，涵盖了几乎所有的可控因素。
附图说明
图1是本发明的系统机械结构图；
图2是本发明的多通道微探针夹持模组结构图；
图3是本发明的系统功能结构图；
图4是本发明的动态细分控制器结构图；
图5是本发明的电解控制模块结构图；
图6是本发明的形貌参数控制软件算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
基于传统的电化学法制备微纳探针，结合制备经验和理论分析，本发明设计了一套全自动化制备装置，并且能够通过设置腐蚀电压、探针浸没深度、电解回路电流切断延时来决定最终获得的微纳探针形貌。整套装置可以在设置完成后无需人员参与完成制备，并且可以单次完成多根微纳探针制备，具有形貌可控、高效率、高均一性以及高成功率的特点。
如图1所示，本发明的形貌参数可控的微纳探针批量制备装置包括z轴电机模组1、x轴电机模组2、电解反应模块3、电解反应槽4、清洗槽5、绝缘处理槽6、多通道微探针夹持模组7；电解反应模块3上设置电解反应槽4、清洗槽5和绝缘处理槽6。如图2所示的多通道微探针夹持模组7由若干微探针夹具8组成。
如图3所示，本发明装置的控制器包括微处理器、步进电机驱动器、步进电机细分驱动器、动态细分控制器、电解控制模块、多通道DA转换器、人机交互控制器；微处理器分别与步进电机驱动器、步进电机细分驱动器、动态细分控制器、电解控制模块、多通道DA转换器、人机交互控制器相连接；步进电机驱动器与x轴电机模组2相连接，x轴电机模组2与多通道微探针夹持模组7相连接；动态细分控制器连接步进电机细分驱动器，步进电机细分驱动器连接z轴电机模组1，z轴电机模组1连接电解反应模块3；多通道DA转换器通过功率放大模块与电解控制模块相连接，电解控制模块与电解反应模块3相连接。
通过步进电机驱动器、步进电机细分驱动器、动态细分控制器结合微处理器的控制算法，实现长距离快速移动、短距离高精度移动及微探针夹持模组7在电解反应槽4、清洗槽5和绝缘处理槽6之间的切换。通过多通道DA模块及功率放大模块，可以对反应电压进行控制。通过电解控制模块，可以对回路电流切断延时进行控制。微探针夹持模组7可以夹持多根探针，在电解控制模块的控制下可以单次制备多根探针。
用户通过人机交互控制器设定好所需的微纳探针形貌参数后，微处理器将形貌参数转换为相应的控制量，通过步进电机驱动器控制浸没深度以及通过电解控制模块控制回路电流切断延时，借助多通道微探针夹持模组全自动的完成微纳探针的制备。
如图4所示，动态细分控制器通过继电器开关改变步进电机细分驱动器的细分模式，z轴电机模组1能够在微处理器判断下切换低细分运动模式和高细分运动模式。系统可以自动化的判断使用高、低细分模式，在低细分模式下电机可以具有较高的移动速度，使多通道微探针夹持模组可以在电解反应槽4、清洗槽5和绝缘处理槽6之间快速切换；在高细分模式下，可以精确的控制电解反应探针原材料浸没入电解液的深度。
如图5所示，电解控制模块由多通道DA转换器1、多通道DA转换器2、多通道AD转换器、功率放大模块、高速电压比较器、高速开关管组成；多通道DA转换器1、多通道DA转换器2、多通道AD转换器与微处理器相连接；高速电压比较器与多通道DA转换器2、多通道AD转换器、高速开关管相连接，多通道DA转换器1通过功率放大模块与高速开关管相连接。
如图6所示，本发明的形貌参数可控的微纳探针批量制备装置的制备方法，包括步骤：
(1)用户通过人机交互控制器设定所需的微纳探针形貌参数，包括针尖的锥角、曲率半径、纵横比、光洁度以及针尖长度；微处理器将形貌参数转换为相应的控制量，包括电解电压大小、浸没深度、动态或静态反应控制以及回路电流切断延时，初始化制备环境；
(2)开始微纳探针制备时，x轴电机模组2带动多根微纳探针原材料(通常为钨针)到电解反应槽4正上方，z轴电机模组1控制原材料浸没入腐蚀液(通常为氢氧化钠溶液)相应深度；到达相应位置后，微处理器控制多通道DA转换器给出电解电压，控制制备反应开始；
(3)制备反应回路电流的切断时间通过电压比较器及开关管控制。通过多通道AD转换器检测电解过程中的反应电流，在微处理器中结合预先设计好的微纳探针电解消耗预测模型给出的预测电流，使用p-控制(如Kalman滤波器)给出相应时刻的最优反应电流。在假设下一时刻需要切断回路电流的情况下，通过多通道DA转换器2给出低于当前时刻的反应电流量(转换为电压量)作为电压比较器的参考电压。循环进行上述过程直至反应电流小于设置的参考电压，电压比较器控制反应终止。在该过程中，对某时刻给出的参考电压大小进行变化，可以控制电压比较器在不同的电压条件下关断开关管，从而达到控制了回路电流切断时间的目的，完成对最终微纳探针形貌的控制；
(4)如果在过程(1)选择了动态腐蚀方法，则通过动态细分控制器提高z轴电机模组1移动精度，在反应进行的相应时刻以微米尺度上缓慢抬起微纳探针；
(5)在微处理器检测到反应终止后，通过z轴电机模组1将制备好的微纳探针提出腐蚀液，通过x轴电机模组2带动多根微纳探针完成剩余步骤。