一种普适高精度微结构制备系统及应用方法.pdf

本发明公开了一种普适高精度微结构制备系统及应用方法。本系统采用独特的气体循环系统和散热系统，结合加热系统、位移系统和监控系统，对样品表面进行高精度微结构制备。编制程序由电脑控制压电陶瓷伸缩的位移系统，精度高；监控系统可对加工过程中的各参数进行全程监控；惰性气体循环系统保证了加工过程中样品表面不易被氧化，大幅度提高样品的制备质量；水冷散热系统使得样品的加工可以在高温下进行，从而提高了样品材料选择的普适性。本系统具有成本低，效率高，速度快，精度高和普适性强等优点，在微结构制备领域具有很大的推广和应用前景。

权利要求书
1.   一种普适高精度微结构制备系统，其特征在于，包括底座支架（1-3）、加热腔保护体（1-2）、控制腔（1-1）、升降杆（4-5），底座支架（1-3）支撑加热腔保护体（1-2），加热腔保护体（1-2）上安装有控制腔（1-1）；加热腔保护体（1-2）内设有加热腔体（4），加热腔体（4）内从低到高依次设有样品台托盘（4-4）、样品台（4-3）、进给压头（4-1），进给压头（4-1）外设有进给压头套（4-2），升降杆（4-5）贯穿了加热腔保护体（1-2）、加热腔体（4）后与样品台托盘（4-4）相连；加热腔体（4）内设有气体循环子系统；
控制腔（1-1）内设有导向杆（2-3）、步进电机位移控制器（3-1）、加压器件（2-1）、压力传感器（3-2）、压电陶瓷（3-3），借助于导向杆（2-3），步进电机位移控制器（3-1）、加压器件（2-1）、压力传感器（3-2）、压电陶瓷（3-3）依次相连。

2.   根据权利要求1所述的普适高精度微结构制备系统，其特征在于，所述的气体循环子系统具体如下，加热腔体（4）的侧壁设有进气孔（5-1）、出气孔（5-2），进气孔（5-1）的位置低于出气孔（5-2），出气孔（5-2）的直径为进气孔（5-1）的直径的1/3，气体通过进气孔（5-１）气泵通入，通过出气孔（5-2）排出。

3.   根据权利要求1所述的普适高精度微结构制备系统，其特征在于，所述的加热腔体（4）的侧壁进一步设有热电偶通孔（4-6），通过温度ＰＩＤ控制器向外接电脑传输数据。

4.   根据权利要求1所述的普适高精度微结构制备系统，其特征在于，所述的压电陶瓷（3-3）外套有水冷头（６）。

5.   根据权利要求1所述的普适高精度微结构制备系统，其特征在于，所述的升降杆（4-5）通过螺纹孔与样品台托盘（4-4）相连。

6.   根据权利要求1所述的普适高精度微结构制备系统，其特征在于，所述的进给压头（4-１）、样品台（4-3）分别采用氧化锆耐高温材料。

7.  一种根据权利要求１所述的普适高精度微结构制备系统的应用方法，其特征在于，步骤如下： 
1）放样：
首先，将样品放在样品台（4-3）上表面，需要进行压印的一面对着进给压头（4-１）；然后，将设计的模具放在样品上表面，模具一面紧贴样品，一面紧贴进给压头（4-１）；
2）打开气体循环系统：
打开氩气阀，通过进气口（5-1）向加热腔体4中通气体，形成保护气体，有效防止样品表面被氧化；
3）开打水冷系统：开打连接在水冷头（6）后端的水冷系统，对压电陶瓷（3-3）进行冷却；
4）加热：设置压印时样品的温度，通过外接电脑的温控系统将加热腔体４加热到样品所需要的温度并且保持此温度15分钟以上，使得加热腔内温度均匀；
５）调零：通过步进电机位移控制器3-1对系统进行调零，使得系统在工作时压电陶瓷（3-3）的头部紧贴着进给压头（4-1）；
６）压印：设定压印过程中的各种参数，然后通过外接电脑控制对样品进行压印；
７）冷却：加工结束后，待加热腔体（4）冷却至常温后再取出样品。

说明书一种普适高精度微结构制备系统及应用方法
技术领域
本发明属于微机电系统，主要用于对微器件表面进行微结构加工，通过参数的设定，由计算机自动完成对样品表面微结构的加工。
背景技术
随着纳米技术的发展，对材料及材料表面进行微结构加工的需求越来大。当前对样品表面进行微结构加工的主要方法有，基于同步辐射光源的LIGA加工技术，电子束刻蚀（EBL）技术，离子束刻蚀（FIB）技术以及紫外光刻技术等。这些方法中，紫外光刻较为方便，成本低廉，速度快，但是精度低，LIGA、EBL和FIB精度高，但是设备昂贵，并且加工速度慢，可加工区域小。近年来国内外已有科技工作者尝试研发了不同的微结构制备装置，但是总体而言精度不够高，工作温度过低（仅限于一些熔点较低的材料），加工过程中样品氧化严重，因此，不断探索新的方法和技术，发展综合性能好、可加工大范围，精度高，普适性强的微结构制备系统，一直具有其必要性和重要性。
发明内容
针对目前存在的局限性，本发明设计了一套精度高、成本低、速度快、加工面积大、普适性强的微结构制备系统，即一种普适高精度微结构制备系统，此系统由计算机主控，配合各种传感系统和压电陶瓷，制备精度高，参数可控。
本发明的目的是提供一种普适高精度微结构制备系统及应用方法。
一种普适高精度微结构制备系统，包括底座支架、加热腔保护体、控制腔、升降杆，底座支架支撑加热腔保护体，加热腔保护体上安装有控制腔；加热腔保护体内设有加热腔体，加热腔体内从低到高依次设有样品台托盘、样品台、进给压头，进给压头外设有进给压头套，升降杆贯穿了加热腔保护体、加热腔体后与样品台托盘相连；加热腔体内设有气体循环子系统；控制腔内设有导向杆、步进电机位移控制器、加压器件、压力传感器、      压电陶瓷，借助于导向杆，步进电机位移控制器、加压器件、压力传感器、压电陶瓷依次相连。
所述的气体循环子系统具体如下，加热腔体的侧壁设有进气孔、出气孔，进气孔的位置低于出气孔，出气孔的直径为进气孔的直径的1/3，气体通过进气孔气泵通入，通过出气孔排出。
所述的加热腔体的侧壁进一步设有热电偶通孔，通过温度ＰＩＤ控制器向外接电脑传输数据。
所述的压电陶瓷外套有水冷头。
所述的升降杆通过螺纹孔与样品台托盘相连。
所述的进给压头、样品台分别采用氧化锆耐高温材料。
步骤如下：
1）放样：
首先，将样品放在样品台上表面，需要进行压印的一面对着进给压头；然后，将设计的模具放在样品上表面，模具一面紧贴样品，一面紧贴进给压头；
2）打开气体循环系统：
打开氩气阀，通过进气口向加热腔体中通气体，形成保护气体，有效防止样品表面被氧化；
3）开打水冷系统：开打连接在水冷头后端的水冷系统，对压电陶瓷进行冷却；
4）加热：设置压印时样品的温度，通过外接电脑的温控系统将加热腔体加热到样品所需要的温度并且保持此温度15分钟以上，使得加热腔内温度均匀；
５）调零：通过步进电机位移控制器对系统进行调零，使得系统在工作时压电陶瓷的头部紧贴着进给压头；
６）压印：设定压印过程中的各种参数，然后通过外接电脑控制对样品进行压印。
７）冷却：加工结束后，待加热腔体冷却至常温后再取出样品。
本发明的有益效果：
 本系统采用独特的气体循环系统保证了加工过程中样品被惰性气体保护着，不会被氧化，并且本系统也采用独特的水冷散热系统，能让系统工作在高温下。该系统不仅弥补了紫外光刻的缺点，也克服了LIGA等加工范围小，时间长，成本高的缺点，其高效、经济、实用的优点，有望在不断发展的信息时代，成为加工样品表面微结构的又一新的途径。
加工过程中样品安全可靠，不易氧化；加工精度高，应用压电陶瓷可达纳米级别；加工范围大，范围尺寸可达到微米级别；加工速度快，整个加工过程只需几分钟；加工成本低，加工便捷，每次加工只需要更换不同的模具。
附图说明
图1是系统的总体结构示意图；
图2是控制腔以及电机系统和水冷系统图；
图3是温度控制系统图及气体循环系统图；
图4为系统工作时部分电气和控制连接图；
图5为系统控制图；
图6为调零算法；
图7-1、7-2分比为软件输入参数；
图8工作算法；
图中，1-1控制腔、1-2加热腔保护体、1-3底座支架、2-1    加压器件、2-2   托盘、2-3导向杆、2-4隔热垫、3-1步进电机位移控制器、3-2 压力传感器、3-3压电陶瓷、4加热腔体、4-1进给压头、4-2 进给压头套、4-3样品台、4-4　样品台托盘、4-5升降杆、4-6  热电偶通孔、5-1进气孔、5-2出气孔、6水冷头。
具体实施方式
整个普适高精度微结构制备系统的原理图如图1，控制图如图5所示，其中1-1为控制腔，1-2为加热腔保护体，1-3为底座支架；加压器件2-1、托盘2-2 、导向杆2-3为控制腔的机械部分，加压器件2-1为加压器件，起到稳压的作用，托盘2-2      用来支撑压力传感器3-2与压电陶瓷3-3，导向杆2-3，用来固定和导向整个控制腔1-1内的器械，底部套有环形弹簧，用来缓冲来自上面的压力，给位移留有余地。隔热垫2-4，主要用于隔绝加热腔加热时传到出来的热量，使其不影响控制腔的正常工作；控制腔的传感器包括步进电机位移控制器3-1、压力传感器3-2、压电陶瓷3-3，主要用以监控一种普适高精度微结构制备系统工作时的各种状态以及输出一个精确的位移量；加热腔体4 包括进给压头4-1、进给压头套4-2、样品台4-3、样品台托盘4-4、升降杆4-5，分别为加热腔内的零件，其中进给压头4-1用于当压电陶瓷输出位移时对样品是施压，进给压头套4-2，用来固定压头，样品台4-3，用来摆放样品及模具，样品台托盘4-4、升降杆4-5，用来配合样品托盘对样品的高度进行随意调节，方便对不同厚度的样品进行压印，热电偶通孔4-6，用来摆放热电偶，如图3所示，热电偶外接温度PID控制器，控制对加热腔体4进行加热，达到设定温度后自动停止。
图2为水冷系统和凋零过程原理图，水冷头6，主要作用在系统加热时对压电陶瓷3-3进行散热。螺纹孔（未用图标）可以用做固定。
图3为气体循环子系统和加热子系统原理图，进气孔5-1用来在系统工作时实时通氩气，出气孔5-2，用来在系统工作时出气，达到气体循环。
一种普适高精度微结构制备系统的使用分为7个步骤，
1）放样：首先，将样品放在样品台4-3上表面，需要进行压印的一面对着进给压头4-1；然后，将设计的模具放在样品上表面，模具一面紧贴样品，一面紧贴进给压头4-1。
2）打开气体循环系统：打开氩气阀，通过进气口5-1向加热腔体4通气体，如氩气瓶上压力示数稳定，说明氩气已经稳定通入腔体内部，形成保护气体，有效防止样品表面被氧化。
3）开打水冷系统：开打连接在水冷头6后端的水冷系统，一段时间后，水压稳定，说明水冷系统已经正常工作，已经对压电陶瓷3-3进行冷却。注意，水冷系统和气体循环系统在工作时必须全程开打，不能中断。
4）加热：设置压印时样品的温度。通过温控系统将加热腔加热到样品所需要的温度并且保持此温度15分钟以上，使得加热腔内温度均匀。
3）调零：如图2，通过步进电机位移系统进行系统（3-1）的调零，使得系统在工作时压电陶瓷（3-3）的头部紧贴着进给压头（4-1），具体实施为电脑通过监控压力传感器（3-2）的读数，通过如图6的算法自动判断是否满足零点条件。
4）压印：如图4，设定压印过程中的各种参数，压印分为2中方式，具体参数设定如图7-1与图7-2，输入压印时的各种参数（例如图7-1，40nm/每10s， 2min/40s，图7-2，零点压力的1.5倍，2min40s），然后点击软件上的开始，计算机（上位机）通过如图8的自定义算法，来控制压电陶瓷3-3高精度进给与后退，对样品进行压印。
5）冷却：加工结束后，待加热腔4冷却至常温后再取出样品。