Study of the control process and fabrication of microstructures using a tip-based force control system
Study of the control process and fabrication of microstructures using a tip-based force control system
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使用基于尖端的力控制系统研究微结构的控制过程和制造
DOI：
10.1177/0954405416682276
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发表时间：
2018-09
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Zhao Xuesen
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Zhang Jingran;Yan Yongda;Hu Zhenjiang;Zhao Xuesen
原子力显微镜针尖纳米机械加工方法已经被用来加工不同种类的纳米结构与控制的法向力的针尖。先前的研究验证了力控制纳米加工方法的可行性。但目前仍存在法向力小、加工规模小、成本高、加工效率低等缺点。因此，本研究基于原子力显微镜的工作原理，建立了一套具有法向力闭环控制的针尖微加工系统。基于对控制过程的分析来优化控制参数，以使得在使用尖端工具时在加工期间能够产生恒定的法向力。通过对加工过程中法向力变化的分析，得到了在保持法向力恒定的情况下，该系统所能达到的最大加工速度。通过控制纳米级精度和高精度工作台，更复杂的微结构，包括微正方形，毫米级微通道和三维台阶微通道，成功地制造使用所提出的力控制方法。实验结果表明，基于针尖的法向力控制方法是一种简单、低成本、通用性强的微加工方法，具有加工更复杂结构的潜在能力，在微加工领域有着广阔的应用前景。
The atomic force microscopy tip-based nanomechanical machining method has already been employed to machine different kinds of nanostructures with the control of the normal force of the tip. The previous studies verified the feasibility of the nanomachining approach with the force control. However, there are still some shortcomings of small normal force, small machining scale, high cost and low machining efficiency. Therefore, in this study, a tip-based micromachining system with normal force closed-loop control is established based on the principle of atomic force microscopy. The control parameters are optimized based on an analysis of the control process to enable the production of a constant normal force during machining when using a tip tool. The maximum machining velocity that can be attained using this system while maintaining a constant normal force is obtained based on an analysis of the normal force variations during machining. By controlling nanoscale accuracy and high-precision stage, more complex microstructures, including microsquares, millimeter-scale microchannels and three-dimensional step microchannels, are successfully fabricated using the proposed force control method. Experimental results show that the tip-based normal force control method is a simple, low-cost and versatile micromachining method with the potential ability to machine more complex structures and is likely to find wider applications in the micromachining field.
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D. Huo;K. Cheng
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Xuesen Zhao;Yanquan Geng;W. B. Li;Yongda Yan;Z. Hu;Tong Sun;Y. Liang;S. Dong