專利名稱：一種微納結構制造裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微納制品成型裝置及其成型方法，屬于微納器件成型領域。
背景技術：
隨著納米技術的發(fā)展，微納米系統(tǒng)、微納米尺度零件及相關產(chǎn)品的需求
越來越多。無論是微機電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System, MEMS)零件的加工，還是微納米功能結構的構造，都離不開微納結構制造加工技術，隨著前沿技術的不斷突破，新的加工方法的不斷產(chǎn)生和改進，極限制造技術必然成為現(xiàn)代加工技術的重點發(fā)展方向。目前微結構加工技術主要包括LIGA技術、三束(電子束、離子束、光子束)微加工技術、微細電火花加工技術、分子自組裝、納米微壓印、生物制造技術、微小機床加工技術及掃描探針顯微技術等。其中除了雙光子加工技術、快速成型技術(RPM)及超精密微型機床的微加工技術外，其它技術只能用于二維或準三維微結構加工，但它們都存在縱向加工尺度精確控制能力差的問題；雙光子加工技術所用的設備昂貴，操作復雜，加工精度有限，在微納米結構加工應用中，還有待進一步研究；RPM對使用的材料有一定的限制，另外它采用的是能量束加工方法，限制了其加工表面質量的提高；而微型高精度超精密機床的微加工技術，雖然不受材料的限制，但它受到機床制造精度及刀具尺寸和精度的限制，因此目前這種方法在加工三維結構的零件尺度方面，仍然處在微米到亞微米量級，不能達到納米量級。
背景技術：
在此處鍵入技術領域描述段落。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種微納結構制造裝置及方法，該方法利用電化學沉積原理，通過對還原離子量的控制實現(xiàn)微量原子團或者原子在陰極平臺的沉積，特別是單電子晶體管器件的使用，可實現(xiàn)單個金屬離子的還原和沉積，通過使用原子筆及微動工作臺，保證了原子尺度上復雜三維結構的精確成型。本發(fā)明一種微納結構制造裝置，主要由原子筆、鍍液、原子筆架、原子力顯微檢測系統(tǒng)、陰極平臺、微動工作臺、微電量供電電源組成，其中裝有鍍液的原子筆固定在原子筆架上，用以支撐原子筆，原子筆架同原子力顯微檢測系統(tǒng)固定連接成一體，陰極平臺和微動工作臺固定連接，陰極平臺和微動工作臺之間用絕緣材料隔開，原子筆芯和微電量供電電源的正極連接，陰極平臺和微電量供電電源的負極連接。本發(fā)明一種微納結構制造裝置，其中原子筆作為電化學作用中的陽極，通過連接微電量供電電源的正極，為原子筆中的鍍液陽離子提供單個或多個電子，原子筆筆筒可使用石墨電極或其它導電材料，根據(jù)沉積量的不同可以在原子筆筆筒端部加工微孔，也可以在筆筒上安裝微細金屬針頭，也可以在筆筒的微孔端組裝碳納米管，碳納米管要求末端開口，也可以用超細碳纖維、超細金屬導線或電導性的原子探針作為原子筆筆芯；特別的，可以在筆筒一端安裝碳納米管陣列，實現(xiàn)微納米三維結構的批量生產(chǎn)或者重復結構件的快速成型。本發(fā)明一種微納結構制造裝置，其中鍍液可以是金屬或者金屬合金的堿性或者酸性溶液，一般使用銅、鎳、鈷、鋁、鉬、鋅、金、銀、鎳鈷合金、鎳鎢合金等的酸性或堿性溶液。本發(fā)明一種微納結構制造裝置，其中陰極平臺連接微電量供電電源的負極，并安裝在微動工作臺上，陰極平臺用于接收原子筆上被還原的原子或原子團，是三維微納成型的基體材料，陰極平臺可使用硅板或其它精細導電材料，其表面粗糙度要求達到亞納米級。本發(fā)明一種微納結構制造裝置，其中微電量供電電源為單電子晶體管及其它分子器件組成的集成電路，用于實現(xiàn)微電量的提供以及對單個電子的控制，為原子筆和陰極平臺的電化學還原體系提供微電量。本發(fā)明一種微納結構制造裝置，其中微動工作臺用于帶動陰極平臺實現(xiàn)納米到亞納米級的微動，實現(xiàn)三維造型。微動工作臺可以是三維微動工作臺，也可以是直線微動單元模塊的組合平臺，微動的實現(xiàn)可以是精密壓電元件或是氣浮直線導軌或其它能實現(xiàn)微納米以及亞納米精度的運動平臺。本發(fā)明一種微納結構制造裝置，為了封閉加工環(huán)境的實現(xiàn)，在整個裝置外部加裝密封腔體，腔體外壁包覆電磁屏蔽材料，為加工環(huán)境隔離外部電磁干擾，為便于觀察電磁屏蔽材料可以為透明的，對于原子堆積加工精度易受到空氣影響的情況下，該腔體可以實現(xiàn)抽真空，提供真空操作環(huán)境，保證加工過程不受空氣的干擾。本發(fā)明一種微納結構制造裝置，為了實現(xiàn)微納米加工甚至原子組裝，避免微小的振動對加工精度的影響，可以將裝有裝置整體的密封腔固定在精密隔振平臺上，使用隔振平臺可以屏蔽外界環(huán)境引起的微小振動。本發(fā)明一種微納結構制造裝置其對應的成型方法，是先取出陰極平臺進行凈化處理，使表面高度光潔，然后將其安裝在密封腔內(nèi)的微動工作臺上；在原子筆內(nèi)補充微量鍍液，利用毛細原理使用誘導裝置將鍍液引流到原子筆筆芯尖端，控制原子筆架和微動工作臺移動使原子筆筆芯尖端和陰極平臺中心剛好接觸；打開微電量供電電源，控制開關頻率和電量，微電量供電電源為原子筆筆芯尖端每提供一個或多個電子，鍍液中就會有一個或多個金屬離子被還原成原子或原子團，最終沉積在陰極平臺上；通過微動工作臺的運動和供電電量和開關間隔的配合就可以實現(xiàn)原子或原子團的堆積，實現(xiàn)微納米三維結構的精確成型，同時和原子筆架一體的原子力顯微檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)微納結構的實時檢測，實現(xiàn)對微動工作臺的精確閉環(huán)控制。本發(fā)明一種微納結構制造裝置對應的成型方法，其中原子力顯微檢測系統(tǒng)可以以原子筆筆芯碳納米管為探針，通過光束偏轉法，或者基于碳納米管接觸式測量時彎曲位移檢測的其它方法，檢測碳納米管或碳納米管懸臂變形，實現(xiàn)對微納米級、亞納米級結構的實時檢測，對原子筆筆架及微動工作臺反饋動作指令。本發(fā)明一種微納結構制造裝置對應的成型方法，該方法優(yōu)勢不但在于原子級別的可控沉積，還可以通過選擇不同大小原子筆筆芯、不同控制精度三維微動平臺、不同測量精度的實時顯微檢測設備，實現(xiàn)復雜的微米結構、納米結構、納米電路、分子導線等微納結構或器件的多尺度復雜成型。
本發(fā)明由于微電量供電電源的使用，將傳統(tǒng)的電化學沉積原理引入到微納米制造及原子組裝領域，同時碳納米管的應用，以及碳納米管鍍液運輸和納米探針的雙重功能一體化，使得原子組裝、原子團沉積三維微納造型變得更加簡易、精確，該裝置及方法對于微納器件的精確制造、微/納機電的進步、量子器件的研制都具有一定的意義。

發(fā)明內(nèi)容
在此處鍵入技術領域描述段落。


圖1是本發(fā)明一種微納結構制造裝置的剖視放大示意圖。圖2是圖1所示A處結構的放大圖。圖3是原子筆的一種碳納米管陣列式原子筆結構。圖中1-原子筆；2-鍍液；3-原子筆架；4-原子力顯微檢測系統(tǒng)；5-陰極平臺； 6-微動工作臺；7-微電量供電電源；8-密封腔；9-精密隔振平臺；10-原子筆筆芯；11-原子筆筆芯連接件；12-原子筆筆筒；13-碳納米管陣列式原子筆筆筒。
具體實施例方式本發(fā)明一種微納結構制造裝置，如圖廣2所示的示意圖，主要包括原子筆1、鍍液 2、原子筆架3、原子力顯微檢測系統(tǒng)4、陰極平臺5、微動工作臺6、微電量供電電源7，其中裝有鍍液的原子筆1固定在原子筆架3上，用以支撐原子筆1，原子筆架3同原子力顯微檢測系統(tǒng)4 一體化連接，并對其進行粗定位和精確定位，陰極平臺5和微動工作臺6固定連接， 陰極平臺5和微動工作臺6之間用絕緣材料隔開，原子筆筆芯10和微電量供電電源7的正極連接，陰極平臺5和微電量供電電源7的負極連接。本發(fā)明一種微納結構制造裝置對應的成型方法，是先對陰極平臺5進行凈化處理，使表面高度光潔，然后將其安裝在密封腔8內(nèi)的微動工作臺6上；在原子筆筒12內(nèi)補充微量鍍液2，利用毛細原理使用誘導裝置將鍍液2引流到原子筆筆芯10尖端，控制原子筆架3和微動工作臺6使原子筆筆芯10和陰極平臺5中心剛好接觸；打開微電量供電電源7， 控制開關頻率和電量，微電量供電電源7為原子筆2每提供一個或多個電子，鍍液中就會有一個或多個金屬離子被還原成原子或原子團，通過原子筆筆芯10的尖端沉積在陰極平臺5 上；通過微動工作臺6的運動和供電電量及開關間隔的配合進行原子或原子團的直線排列堆積，最終得到多個原子直線排列的原子線。
權利要求
1.一種微納結構制造裝置，其特征在于主要包括原子筆、鍍液、原子筆架、原子力顯微檢測系統(tǒng)、陰極平臺、微動工作臺、微電量供電電源，其中裝有鍍液的原子筆固定在原子筆架上，原子筆架同原子力顯微檢測系統(tǒng)固定連接成一體，陰極平臺和微動工作臺固定連接， 陰極平臺和微動工作臺之間用絕緣材料隔開，原子筆為導電材料，在原子筆筆筒端部加工微孔，原子筆筆芯為在筆筒上安裝的微細金屬針頭，原子筆芯和微電量供電電源的正極連接，陰極平臺和微電量供電電源的負極連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種微納結構制造裝置，其特征在于，原子筆可使用石墨電極，在原子筆筆筒端部加工微孔，原子筆筆芯是在原子筆筆筒的微孔端組裝碳納米管，管末端開口 ；或用超細碳纖維、超細金屬導線或有電導性的原子探針作為原子筆筆芯；或在筆筒一端安裝碳納米管陣列。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種微納結構制造裝置，其特征在于，鍍液可以是金屬或者金屬合金的堿性或者酸性溶液。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種微納結構制造裝置，其特征在于，鍍液的金屬為銅、鎳、 鈷、鋁、鉬、鋅、金或銀；金屬合金為鎳鈷合金或鎳鎢合金。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種微納結構制造裝置，其特征在于，陰極平臺使用硅板制造，其表面粗糙度達到納米級或亞納米級。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種微納結構制造裝置，其特征在于，微電量供電電源為單電子晶體管及其它分子器件組成的集成電路，可實現(xiàn)微電量的提供以及對單個電子的控制，為原子筆和陰極平臺的電化學還原體系提供微電量。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種微納結構制造裝置，其特征在于，微動工作臺可以是三維微動工作臺，也可以是直線微動單元模塊的組合平臺，微動的實現(xiàn)可以是精密壓電元件或是氣浮直線導軌或其它能實現(xiàn)微納米以及亞納米精度的運動平臺。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種微納結構制造方法及裝置，其特征在于，在整個裝置外部加裝密封腔體，腔體外壁包覆電磁屏蔽材料，密封腔固定在精密隔振平臺上。
9.權利要求8所述的一種微納結構制造裝置對應的成型方法，其特征在于，先取出陰極平臺進行凈化處理，使表面高度光潔，然后將其安裝在密封腔內(nèi)的微動工作臺上；在原子筆內(nèi)補充微量鍍液，利用毛細原理使用誘導裝置將鍍液引流到原子筆筆芯尖端，控制原子筆架和微動工作臺移動使原子筆筆芯尖端和陰極平臺中心接觸；打開微電量供電電源，控制開關頻率和電量，微電量供電電源為原子筆筆芯尖端每提供一個或多個電子，鍍液中就會有一個或多個金屬離子被還原成原子或原子團，最終沉積在陰極平臺上；通過微動工作臺的運動和供電電量及開關間隔的配合就可以實現(xiàn)原子或原子團的堆積，實現(xiàn)微納米三維結構的精確成型，同時和原子筆架一體的原子力顯微檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)微納結構的實時檢測，實現(xiàn)對微動工作臺的精確閉環(huán)控制。
10.根據(jù)權利要求9所述的一種微納結構制造裝置對應的成型方法，其特征在于，原子力顯微檢測系統(tǒng)可以以原子筆筆芯碳納米管為探針，通過光束偏轉法，或者基于碳納米管接觸式測量時彎曲位移檢測的方法，檢測碳納米管或碳納米管懸臂變形，實現(xiàn)對微納米級、 亞納米級結構的實時檢測，對原子筆筆架及微動工作臺反饋動作指令。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微納結構制造裝置及方法，屬于微納制造領域，主要包括原子筆、鍍液、原子筆架、原子力顯微檢測系統(tǒng)、陰極平臺、微動工作臺、微電量供電電源，其中裝有鍍液的原子筆固定在原子筆架上，原子筆架同原子力顯微檢測系統(tǒng)一體化連接，并對其進行粗定位和精確定位，陰極平臺和微動工作臺固定連接，陰極平臺和微動工作臺之間用絕緣材料隔開，原子筆芯和微電量供電電源的正極連接，陰極平臺和微電量供電電源的負極連接。本發(fā)明由于微電量供電電源以及碳納米管的應用使得原子組裝、原子團沉積三維微納成型變得更加簡易、精確，該裝置及對應成型方法對于微納器件的精確制造、微/納機電的進步、量子器件的研制都具有一定的意義。
文檔編號B82Y40/00GK102205944SQ201110097248
公開日2011年10月5日 申請日期2011年4月19日 優(yōu)先權日2011年4月19日
發(fā)明者丁玉梅, 李好義, 楊衛(wèi)民 申請人:北京化工大學