[发明专利]基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置及方法

权利要求书

1.基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置，其特征在于：包括基板、调平台、样品夹具、金刚石探针、力传感器、Z向精密纳米位移平台、Z向微位移平台、Y向微位移平台和X向微位移平台；所述样品夹具通过调平台安装于基板上，所述X向微位移平台安装于基板上，所述Y向微位移平台安装于X向微位移平台，所述Z向微位移平台安装于Y向微位移平台，所述Z向精密纳米位移平台通过力传感器安装于Z向微位移平台，所述金刚石探针通过探针夹具安装于Z向精密纳米位移平台，且所述金刚石探针位于样品夹具的上方。

2.根据权利要求1所述的基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置，其特征在于：所述金刚石探针包括刀柄和金刚石制成的刀刃，所述刀刃固定于刀柄的一端，所述刀柄的另一端安装于Z向精密纳米位移平台。

3.根据权利要求2所述的基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置，其特征在于：所述刀刃呈三棱锥状或四棱锥状。

4.根据权利要求1所述的基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置，其特征在于：所述X向微位移平台通过垫块安装于基板上。

5.根据权利要求1所述的基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置，其特征在于：所述样品夹具包括夹具本体、夹具挡块和预紧螺栓，所述夹具本体设有与调平台连接的连接孔，所述夹具本体的一端设有用于放置样品的夹紧槽，所述夹具挡块通过预紧螺栓与夹具本体的一端连接。

6.根据权利要求1所述的基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置，其特征在于：所述调平台包括支撑架、支撑板、载物板、X轴调平螺栓和Y轴调平螺栓，所述支撑架的下端安装于基板，所述支撑板固定于支撑架的上端，所述载物板通过X轴调平螺栓和Y轴调平螺栓安装于支撑板的上方。

7.一种基于权利要求1～6任意一项所述的基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)试验样品固定：将试验样品固定于样品夹具，再通过调平台调整试验样品的水平度；

2)对刀操作：将金刚石探针安装在探针夹具后，通过X向微位移平台和Y向微位移平台将金刚石探针移动至试验样品上方，再通过Z向微位移平台实现金刚石探针在Z方向的宏运动，接着使用光学显微镜对金刚石探针的针头和试验样品表面的距离进行观察；当金刚石探针的针头即将接触到试验样品的上表面时，再通过Z向精密纳米位移平台以一定的速度逼近试验样品上表面；力传感器检测金刚石探针与试验样品表面的法向力，当力传感器检测到力信号发生阶跃变化时，金刚石探针与试验样品的上表面发生接触，记录下此时金刚石探针的Z轴位置，完成对刀操作；

3)试验样品的预加载：当金刚石探针下落到步骤2)时的对刀位置时，继续操作Z向精密纳米位移平台，令金刚石探针进一步的向下运动，控制金刚石探针压入试验样品表面的一定深度完成试验样品的预加载；

4)刻划加工：控制X向微位移平台和Y向微位移平台的进给速度和进给距离，加工出平面的微纳结构；

5)力位控制加工：基于力传感器的力信号，即所述金刚石探针与试验样品的法向载荷，计算机根据力传感器送达的力信号控制Z向精密纳米位移平台上下移动，根据力信号的变化来改变金刚石探针在Z向的绝对位置，使得金刚石探针对试验样品的刻划深度保持相对恒定，实现加工深度恒定的微纳结构；

6)卸载及退刀：完成微纳结构加工后，Z向精密纳米位移平台以一定的速度缓慢上移，带动金刚石探针离开试验样品的上表面，完成卸载；然后Z向微位移平台上移，以使金刚石探针远离试验样品上表面至一定的安全高度，从而完成退刀。

8.根据权利要求7所述的基于力位控制的复杂曲面微纳结构加工的实验装置的实验方法，其特征在于：在步骤2)中，Z向精密纳米位移平台带动金刚石探针逼近试验样品的速度为0.1nm/s～100nm/s。