本發(fā)明涉及微納加工、微納驅(qū)動研究領(lǐng)域。特指一種利用高能蒸汽泡推動微刀具高速沖擊被加工樣品，使其在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生塑性變形或被切削，實(shí)現(xiàn)在液下的表面微納結(jié)構(gòu)加工的方法。
背景技術(shù)：
1、表面微納結(jié)構(gòu)常見于微機(jī)電系統(tǒng)及生物醫(yī)療系統(tǒng)。目前常用的微納加工方法可大致分為平面加工、體加工和探針加工的三大類幾十種。其中常見的方法包括：光刻、壓印、鍵合、激光加工、粒子刻蝕等。但這些方法在加工精度、加工條件、加工成本等方面往往難以平衡或在某一方面存在較明顯缺陷。探針加工方法的優(yōu)勢為加工精度可達(dá)納米級，且可以實(shí)現(xiàn)加工、測量一體化。然而傳統(tǒng)壓電驅(qū)動的方式也存在加工作用力小、加工效率低的問題。因此，一種可以提高、擴(kuò)展探針加工能力的方法顯得尤為重要。
2、微米級光斑直徑的激光在液下照射貴金屬等光熱轉(zhuǎn)化材料會導(dǎo)致過冷沸騰并觸發(fā)一種微米級蒸汽泡。本發(fā)明在微懸臂梁刀具的上表面加工納米金膜鍍層，將蒸汽泡驅(qū)動與微刀具相結(jié)合，建立一種高精度、高效、大作用力的表面微納結(jié)構(gòu)加工方法，實(shí)現(xiàn)對材料表面結(jié)構(gòu)的可靠加工。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于蒸汽泡驅(qū)動微刀具的表面微結(jié)構(gòu)加工方法，可以實(shí)現(xiàn)液下高速、高精度、大作用力范圍的表面微納結(jié)構(gòu)加工。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明包括：提供一種基于蒸汽泡驅(qū)動微刀具的表面微結(jié)構(gòu)加工方法。其特征在于：在懸臂梁自由端的下表面加工或結(jié)合所需的微刀具。將得到的微懸臂梁刀具和待加工樣品均置于溶液環(huán)境中，其中刀具所在的懸臂梁和待加工表面保持適當(dāng)距離(約50μm，具體根據(jù)使用的微懸臂梁長度和彈性模量調(diào)整)及適當(dāng)角度(與水平面夾角為10°到20°)以便后續(xù)加工。激光經(jīng)過顯微物鏡聚焦于微刀具上表面的貴金屬膜，超過閾值功率密度的激光在短暫延遲時(shí)間后會導(dǎo)致蒸汽泡的成核及快速膨脹。蒸汽泡的膨脹過程推動微懸臂梁刀具高速沖擊被加工樣品表面，刀具的最大加工作用力和激光功率有關(guān)；關(guān)閉激光，失去驅(qū)動源的微懸臂梁刀具迅速恢復(fù)至初始位置；再次開啟激光可進(jìn)行下次加工。
3、優(yōu)選的，所述加工刀具材質(zhì)為氮化硅或金剛石。
4、優(yōu)選的，所述微懸臂梁材質(zhì)為氮化硅。
5、優(yōu)選的，所述貴金屬納米膜為金納米膜。
6、本發(fā)明使用的微刀具在蒸汽泡膨脹到最大體積時(shí)到達(dá)最大按壓深度或沖擊振幅z。
7、本發(fā)明利用pwm波調(diào)控激光最高可實(shí)現(xiàn)微懸臂梁刀具以萬赫茲級頻率沖擊被加工樣品表面。
8、液體環(huán)境為水或其它溶液，包括以水為基底的無機(jī)溶液，如生理鹽水等，以及各類有機(jī)溶液如乙醇、丙酮等。在不同的溶液中微刀具的加工作用力和沖擊振幅與激光功率之間具有相似的規(guī)律，須重點(diǎn)保證溶液不會影響待加工樣品的理化性質(zhì)。
9、通過改變輸入激光的功率p，能夠控制蒸汽泡可膨脹的最大尺寸，進(jìn)而控制蒸汽泡驅(qū)動刀具的沖擊速度與沖擊幅值z。
10、當(dāng)需要多次重復(fù)加工同一位置或在某一點(diǎn)周圍多次加工時(shí)，需嚴(yán)格控制微刀具的水平和豎直方向的位置。因此，微懸臂梁刀具的夾持器應(yīng)具有較大的剛度。
11、發(fā)明的效果
12、本發(fā)明與以往的表面微納結(jié)構(gòu)加工方法相比，在微懸臂梁自由端下表面加工微刀具，結(jié)合蒸汽泡驅(qū)動方法與懸臂梁型微刀具，實(shí)現(xiàn)了對材料表面的高效、大作用力范圍加工；操作方法簡單、刀具的按壓/切削/沖擊速度、最大沖擊振幅以及沖擊作用力可通過調(diào)節(jié)輸入激光的功率p進(jìn)行調(diào)控，刀具的沖擊頻率可通過調(diào)節(jié)激光的輸入頻率進(jìn)行調(diào)控。本發(fā)明作為一種無掩膜加工方法，可直接加工點(diǎn)陣、溝槽類表面結(jié)構(gòu)，或用于制備其它微納加工方法使用的掩膜以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工。
1.一種基于蒸汽泡驅(qū)動微刀具的表面微納結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于：在微懸臂梁自由端下表面制備或結(jié)合一個微刀具，并將微懸臂梁刀具和待加工樣品置于溶液環(huán)境中，使二者保持適當(dāng)?shù)木嚯x和夾角；超過閾值功率的激光經(jīng)顯微物鏡聚焦后照射微懸臂梁自由端上表面的貴金屬納米膜，經(jīng)過短暫延遲時(shí)間后會在膜上觸發(fā)蒸汽泡成核、生長，推動所述微刀具沖擊樣品表面，從而在樣品表面形成凹坑或溝槽類結(jié)構(gòu)。刀具的最大切削深度與輸入激光功率有關(guān)；停止激光照射，短時(shí)間內(nèi)懸臂梁刀具恢復(fù)到初始位置并穩(wěn)定；再次開啟激光可實(shí)現(xiàn)下次切削。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蒸汽泡驅(qū)動微刀具的表面微納結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于：所述加工刀具應(yīng)具有一定的硬度，以維氏硬度超過15gpa為優(yōu)；優(yōu)選，所述加工刀具為氮化硅或金剛石。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蒸汽泡驅(qū)動微刀具的表面微納結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于：所述微懸臂梁應(yīng)具有一定韌性，以抗斷裂韌性超過1.5mpa·m1/2為優(yōu)；優(yōu)選，所述微懸臂梁材料為氮化硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蒸汽泡驅(qū)動微刀具的表面微納結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于：通過減小輸入激光的功率，能夠增大蒸汽泡驅(qū)動微刀具加工樣品表面的沖擊速度，反之亦然。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蒸汽泡驅(qū)動微刀具的表面微納結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于：通過減小輸入激光的功率，能夠增大蒸汽泡驅(qū)動微刀具加工樣品表面的沖擊幅值，反之亦然。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蒸汽泡驅(qū)動微刀具的表面微納結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于：在微刀具和樣品表面距離一定的條件下，通過減小輸入激光的功率，能夠增大樣品表面被加工結(jié)構(gòu)深度，反之亦然。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蒸汽泡驅(qū)動微刀具的表面微納結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于：通過pwm波可控制激光驅(qū)動微刀具振蕩的頻率，最高可達(dá)萬赫茲級。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蒸汽泡驅(qū)動微刀具的表面微納結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于：液體環(huán)境為水或其它溶液，包括但不局限于各類水溶液，如生理鹽水等，以及各類有機(jī)溶液如乙醇、丙酮等。