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基于AFM探针刻划可控三维微结构加工技术研究

作　者: 胡振江
导　师: 董申
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 微结构原子力显微镜机械刻划加工刻划深度检测刻划深度控制
分类号: TG66
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着纳米技术的发展,微纳米系统、微纳米尺度零件及相关产品的需求越来越多。无论是微机电系统零件加工,还是微纳米器件制造,都离不开微纳米尺度的微结构加工技术。传统的微结构加工技术,普遍存在某一维度精确自动控制能力差的问题,只能实现二维或准三维的微结构加工。并且它们都不具备加工检测一体化的能力。因此亟需研究一种具备加工检测一体化功能的三维微结构加工技术。扫描探针显微技术的发明,极大地促进了纳米技术的发展。随着科学技术的不断进步,人们越来越多地将其应用于微观世界的改造方面:将AFM(Atomic Force Microscope)金刚石探针模拟为一个尖锐的单点金刚石车刀,以机械刻划去除材料的方式在扫描探针显微镜的高精密操控下对样品进行微纳米尺度下的微结构加工。应用现有的AFM扫描成像功能进行微结构刻划加工,只能实现平面二维加工量的精确控制。在刻划深度方向,目前还不具备精确的自动控制能力:现有的AFM系统在对样品进行刻划加工时,刻划驱动与刻划深度之间的控制方式是开环的,刻划深度不仅与驱动有关,还与样品材料性质、微悬臂等效弹性系数等有关。这种控制方式对刻划深度是无法实现精确自动控制的。弹性微悬臂探针系统是AFM进行微观三维形貌检测的根本;同时,正是由于微悬臂探针系统的弹性性质,造成了刻划加工深度精确控制方面的困难。如何解决这一矛盾,实现具备加工检测一体化能力的三维微结构加工系统,是基于AFM进行微结构机械刻划加工过程中摆在我们面前的一个全新课题。基于AFM系统,设计相应的辅助控制单元,并深入研究AFM弹性微悬臂探针在微结构刻划加工中的刻划深度形成规律,进而实现刻划深度的实时检测与闭环自动控制,是解决这一矛盾的有效途径。本文从相应理论、刻划加工系统组建及刻划加工实验等方面入手,深入研究了基于AFM的微结构机械刻划加工过程中刻划深度控制技术,以多学科交叉应用的手段初步建立起基于AFM可控三维微结构刻划加工技术应用体系。具体研究内容包括如下几个方面:从AFM三维微结构刻划加工过程分析入手,辅助其它驱动控制单元,应用材料力学的相关理论,深入分析微悬臂探针系统在刻划加工时刻划深度与AFM相应系统的对应关系,找到刻划加工过程中刻划深度的实时检测方法,为刻划深度的闭环控制奠定基础;应用微纳米塑性力学相关理论,对微悬臂探针压入材料样品形成压入深度的过程进行分析,研究压入深度对应于压入驱动的形成规律,建立压入驱动与压入深度之间的对象模型。并应用自动控制相应理论,设计优化相应的控制器及控制算法,实现压入深度的闭环控制。应用有限元仿真手段,研究微悬臂探针对样品刻划加工时刻划深度的变化规律,由此制定出刻划过程中刻划深度的控制方案,最终实现刻划加工全过程的刻划深度闭环精确控制;结合AFM及三维微动工作台,应用计算机及微处理器技术研制相应辅助控制装置,组成刻划深度自动闭环控制的三维微结构加工检测一体化加工系统。应用该加工系统,实现设定深度的三维微结构加工,并进一步研究三维连续曲面及复杂曲面的三维微结构刻划加工。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-17
第1章绪论  17-34
  1.1 课题研究目的及意义  17-19
  1.2 微结构加工技术研究现状  19-25
  1.3 三维微结构加工技术总结  25-26
  1.4 AFM 机械刻划加工技术  26-31
    1.4.1 AFM 机械刻划加工方法  27-29
    1.4.2 AFM 机械刻划机理研究  29-30
    1.4.3 AFM 机械刻划装置及刻划工艺研究  30-31
  1.5 本文的研究内容  31-34
第2章 AFM 探针刻划深度实时检测方法研究  34-60
  2.1 引言  34
  2.2 AFM 刻划加工原理  34-41
    2.2.1 AFM 工作原理  34-37
    2.2.2 AFM 刻划加工原理  37-41
  2.3 AFM 刻划应用中的关键系统分析  41-51
    2.3.1 AFM 的SAM 接口模块  41-42
    2.3.2 微悬臂光杠杆检测系统分析与实验  42-47
    2.3.3 扫描陶管PZT 微驱动系统实验研究  47-51
    2.3.4 三维微动工作台  51
  2.4 AFM 刻划深度实时检测方法  51-56
    2.4.1 刻划深度检测方法  51-55
    2.4.2 探针转动对刻划深度检测的影响  55-56
  2.5 刻划深度闭环控制方案  56-57
    2.5.1 位移驱动模式刻划深度闭环控制方案  56
    2.5.2 力驱动模式刻划深度闭环控制方案  56-57
  2.6 刻划加工系统的总体设计要求  57-58
    2.6.1 系统信号检测设计要求  58
    2.6.2 系统驱动信号设计要求  58
  2.7 本章小结  58-60
第3章 AFM 探针刻划深度控制方法研究  60-95
  3.1 引言  60
  3.2 AFM 微悬臂探针压入样品模型建立  60-69
    3.2.1 微悬臂探针压入样品力学分析  61-65
    3.2.2 压入驱动与压入深度的压入效率  65-67
    3.2.3 微悬臂探针压入样品模型  67-69
  3.3 AFM 微悬臂探针压入深度控制器设计  69-76
    3.3.1 压入深度控制器设计  70-71
    3.3.2 控制器的参数整定  71-73
    3.3.3 控制算法实现及分析  73-75
    3.3.4 仿真验证  75-76
  3.4 压入到刻划过程的有限元仿真分析  76-88
    3.4.1 有限元模型的建立  76-81
    3.4.2 有限元网格畸变和网格重新划分  81-85
    3.4.3 仿真分析  85-88
  3.5 刻划深度闭环控制方案  88-93
    3.5.1 刻划深度闭环控制方案  88-90
    3.5.2 刻划深度闭环控制有限元仿真  90-93
  3.6 本章小结  93-95
第4章基于AFM 三维微结构刻划加工系统研制  95-120
  4.1 引言  95
  4.2 总体设计  95-98
    4.2.1 总体结构方案选择  95-96
    4.2.2 总体结构设计  96-97
    4.2.3 智能控制器的中央处理器选择  97-98
  4.3 单片机控制器总体设计  98-101
    4.3.1 单片机控制器总体结构设计  98-99
    4.3.2 关键器件选型  99-100
    4.3.3 电流环串行接口  100-101
    4.3.4 模拟电源研制  101
  4.4 单片机控制器研制  101-107
    4.4.1 单片机主控制模块  102-104
    4.4.2 键盘显示模块  104-105
    4.4.3 模数转换AD 模块  105-106
    4.4.4 数模转换 DA 模块  106-107
  4.5 单片机控制器软件实现  107-116
    4.5.1 模块通讯及消息激励状态法  109-111
    4.5.2 单片机主控制模块软件实现  111-113
    4.5.3 键盘显示模块软件实现  113-114
    4.5.4 模数转换AD 模块软件实现  114-115
    4.5.5 数模转换DA 模块软件实现  115-116
  4.6 上位机软件实现  116-119
  4.7 本章小结  119-120
第5章 AFM 三维微结构刻划加工系统实验研究  120-141
  5.1 引言  120
  5.2 单片机控制器主要指标的检测  120-125
    5.2.1 模拟电源检定  121
    5.2.2 光电隔离电流环传输试验  121-123
    5.2.3 AD 采集试验  123-124
    5.2.4 DA 输出试验  124-125
  5.3 刻划深度控制实验  125-132
    5.3.1 刻划加工系统的初始标定  125-126
    5.3.2 微小方坑的刻划实验  126-128
    5.3.3 微小台阶的刻划实验  128-131
    5.3.4 刻划深度控制精度对三维微结构刻划加工的影响  131-132
  5.4 三维简单连续曲面刻划加工试验  132-136
    5.4.1 正弦曲面加工  132-134
    5.4.2 三角曲面加工  134-135
    5.4.3 正反三棱锥曲面加工  135-136
  5.5 三维复杂曲面刻划加工试验  136-140
    5.5.1 真人灰度头像刻划加工  136-138
    5.5.2 面罩灰度图像刻划加工  138
    5.5.3 奥运纪念物灰度图像刻划加工实验  138-140
  5.6 本章小结  140-141
结论  141-143
参考文献  143-154
攻读博士学位期间发表的论文  154-156
致谢  156-157
个人简历  157

基于AFM探针刻划可控三维微结构加工技术研究

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