一種可控大長徑比納米探針的製備裝置製造方法
2023-05-01 09:50:11 2
一種可控大長徑比納米探針的製備裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種可控大長徑比納米探針的製備裝置，通過設置腐蝕穩壓電路、腐蝕電壓切斷電路、探針浸沒判斷電路，與單片機配合實現對腐蝕過程中的腐蝕電壓、探針浸沒深度、探針提升速度等重要參數的精確控制，能夠製備大長徑比、可控長徑比、耐磨損、可回收、成本低的納米探針。本實用新型還提供一種可控大長徑比納米探針的製備方法，採用探針浸入指定深度後不再停留腐蝕，而是一直不斷提起探針，從而形成針尖長、針尖曲率半徑平滑變化、長徑比大的新型納米探針，具有不易磨損、可回收再利用、使用成本低等顯著優點，並通過對腐蝕電壓、探針浸沒深度、提起速度等參數的自動控制，提局納米探針的精度和質量，並且製備方法操作簡單可靠。
【專利說明】一種可控大長徑比納米探針的製備裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種納米探針的製備裝置，特別涉及一種可控大長徑比納米探針的製備裝置，屬於納米【技術領域】。
【背景技術】
[0002]目前，納米科技發展迅速，並對當前科技研究、社會生產、日常生活產生巨大影響。納米探針被廣泛應用於納米科技領域，例如掃描隧道顯微鏡、半導體測量儀、納米操作臂等。現有技術常用的納米探針製備方法包括超真空離子場顯微鏡、研磨、剪切、場致(靜電)發射、電化學腐蝕等。其中，電化學腐蝕法以其製備重複性好、價格低廉、結構簡單的特點而獲得越來越多的青睞。
[0003]實用新型專利申請:「一種金屬鎢納米探針的製備方法及其應用」，申請公布號:CN102721832A,申請公布日:2012.10.10，公開了一種納米探針的製備方法，利用單片機步進馬達軸向位移系統實現腐蝕過程中鎢絲的自動提起，通過控制浸入深度、提起速度和時間可以製備出鶴納米探針，將製得的探針用於Kleindiek Nanotechnik公司生產MM3A納米微操縱系統，對碳納米管進行了全新的納米級位移、定位及控制測量。
[0004]但是，上述實用新型專利申請公開的電化學腐蝕製備納米探針方法存在明顯的缺陷或不足:
[0005]一是製備方法採用先將探針浸入腐蝕液後，先提起後靜止在腐蝕液中進行腐蝕，因而製備的納米探針長徑比很小(文件指出長徑比為3.7)且針尖很短，這種納米探針在實際應用中，尤其是作為納米操作臂時探針極易磨損，並且磨損後即廢棄，無法回收再利用，使用成本較高。
[0006]二是雖然上述申請也給出了腐蝕電壓、探針提起速度、提起時間等製備參數的限定，但並未揭示上述參數與探針的長徑比的定量關係，所選數值範圍僅憑經驗選取，因而不能通過上述製備參數的調節，實現對納米探針長徑比的控制，也即是製備的納米探針的長徑比是非可控的。
[0007]三是探針靜止在腐蝕液中腐蝕納米探針的曲率變化不能保持平緩、連續，影響探針的平滑外形。
[0008]四是設置由電壓比較器等元件組成的比較控制電路，雖然也能實現腐蝕電壓的自動切斷，但無法進一步同時控制改變切斷腐蝕電壓後的探針提起速度，不利於探針針尖的形態優化。
[0009]五是雖然也給出了探針浸入深度的控制參數，但是單片機僅能控制步進電機的位移距離，不能精確定位探針到達腐蝕液面的位置(即深度計算的起點)，因而影響控制浸入深度的精度，進一步影響探針的長徑比和形態。
實用新型內容
[0010]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型的第一個技術目的旨在提供一種可控大長徑比納米探針的製備裝置，通過設置腐蝕穩壓電路、腐蝕電壓切斷電路、探針浸沒判斷電路等控制電路，與單片機配合實現對腐蝕過程中的腐蝕電壓、探針浸沒深度、探針提升速度等重要參數的精確控制，能夠製備大長徑比、可控長徑比、耐磨損、可回收、成本低的納米探針，滿足製備不同納米探針的需要。
[0011]本實用新型的第二個技術目的旨在提供一種可控大長徑比納米探針的製備方法，採用探針浸入、提起後不再靜止腐蝕，而是浸入後一直不斷提起探針，從而形成針尖長、針尖曲率半徑平滑變化、長徑比大的新型納米探針，具有不易磨損、可回收再利用、使用成本低等顯著優點，並通過對腐蝕電壓、探針浸沒深度、提起速度等參數的自動控制，提高納米探針的精度和質量，並且製備方法操作簡單可靠。
[0012]本實用新型為實現技術目的採用的技術方案為:
[0013]一種可控大長徑比納米探針的製備裝置，所述裝置包括機械位移裝置、控制機和控制電路，所述機械位移裝置固定納米探針並帶動納米探針上下移動，所述控制機包括上位機和單片機，所述單片機與機械位移裝置相連並控制機械位移裝置移動，所述控制電路包括與單片機相連接的腐蝕電壓穩壓電路、腐蝕電壓切斷電路和探針浸沒判斷電路，所述腐蝕電壓切斷電路包括依次串聯的採樣電阻、電壓跟隨器、比例運算電路和電壓比較器，所述採樣電阻與腐蝕電路相連，用於採集腐蝕電路電流值並將其轉換為電壓值，所述電壓跟隨器用於跟隨轉換得到判斷電壓，所述比例運算電路用於將判斷電壓信號放大，所述電壓比較器輸出端與單片機的1 口相連，所述電壓比較器用於將判斷電壓與閾值電壓進行比較，當判斷電壓低於閾值電壓時，電壓比較器輸出端由低電平變為高電平，並將電平轉變信號傳送至單片機，所述腐蝕電壓穩壓電路接收單片機發出的腐蝕電壓信號指令，並按照指令輸出預設的腐蝕電壓並保持腐蝕電壓恆定，所述探針浸沒判斷電路檢測探針是否浸入腐蝕液面，並將探針浸入信號信號發送至單片機。
[0014]一種可控大長徑比納米探針的製備裝置，所述腐蝕電壓穩壓電路包括串聯的穩壓器和數字變阻器，所述數字變阻器的輸入端與單片機的輸出端相連，所述數字變阻器接收單片機發出的指令並改變自身電阻值，使穩壓器輸出預設的腐蝕電壓並保持腐蝕電壓恆定。
[0015]一種可控大長徑比納米探針的製備裝置，所述探針浸沒判斷電路包括三極體，所述三極體的基極與腐蝕電路相連，集電極與單片機的輸入端相連，所述三極體在探針浸入腐蝕液時導通並向單片機發送探針浸入信號。
[0016]一種可控大長徑比納米探針的製備裝置，所述機械位移裝置包括三相異步電動機驅動器、三相異步電動機、撓性聯軸器、軸承、滾珠絲槓、固定螺母、柔性鉸鏈、支架、移動工作板和探針夾具，所述三相異步電動機驅動器的輸入端連接單片機，輸出端連接三相異步電動機，所述三相異步電動機的主軸通過撓性聯軸器與滾珠絲槓的固定端固定連接，所述滾珠絲槓通過軸承固定在支架上，所述滾珠絲槓上固定有螺母，所述移動工作板通過柔性鉸鏈與螺母固定連接，所述移動工作板上固定連接探針夾具。
[0017]一種可控大長徑比納米探針的製備裝置，所述軸承包括分別位於滾珠絲槓的上端、下端的上軸承和下軸承，所述上軸承為固定式軸承，所述下軸承為遊動式軸承。
[0018]一種可控大長徑比納米探針的製備裝置，所述探針夾具包括排針和排母，所述排針固定在移動工作板上，探針安裝在排母上。
[0019]本實用新型還公開了一種製備可控大長徑比納米探針的方法，包括以下步驟:
[0020]I)安裝探針並對探針進行清洗處理；
[0021]2)上位機輸入預設的粗腐蝕電壓、精腐蝕電壓、探針浸沒深度、探針浸沒提起速度、探針脫離提起速度；
[0022]3)單片機控制機械位移裝置正轉並帶動探針下降，當探針接觸腐蝕液瞬間，探針浸沒判斷電路檢測到探針浸入腐蝕液並向單片機發出探針浸入信號，單片機控制腐蝕電壓穩壓電路輸出粗腐蝕電壓，探針開始粗腐蝕；
[0023]4)探針浸入腐蝕液後，單片機控制機械位移裝置繼續下移，直到探針到達預設的浸沒深度，然後單片機控制機械位移裝置反向上升，帶動探針按照預設的探針浸沒提起速度向上提起探針；
[0024]5)探針開始腐蝕時，腐蝕電壓切斷電路的採樣電阻開始採集腐蝕電路的電流信號並將其轉換為電壓值，經過電壓跟隨器跟隨放大後得到判斷電壓，再經比例運算電路放大後輸出至電壓比較器，電壓比較器將判斷電壓與預設的閾值電壓進行比較，當判斷電壓低於閾值電壓時，電壓比較器輸出端由低電平變為高電平，單片機檢測到此信號變化後切立即斷腐蝕電壓，腐蝕過程停止，同時單片機控制機械位移裝置按照探針脫離提起速度向上提起探針，直到到達探針初始位置時停止；
[0025]6)單片機再次控制機械位移裝置正轉並帶動探針下降，當探針接觸腐蝕液瞬間，探針浸沒判斷電路檢測到探針浸入腐蝕液並向並向單片機發出探針浸入信號，單片機控制腐蝕電壓穩壓電路輸出預設的精腐蝕電壓，探針開始精腐蝕；
[0026]7)重複步驟4) -5)，完成探針製備。
[0027]—種製備可控大長徑比納米探針的方法，所述上位機設有參數計算系統，所述參數計算系統可根據腐蝕電壓、探針浸沒深度和探針浸沒提起速度中的任意兩個值計算確定第三個值。
[0028]一種製備可控大長徑比納米探針的方法，所述參數計算系統的計算步驟包括首先根據腐蝕電壓和腐蝕速度的正比關係確定腐蝕時間，然後根據長徑比和探針直徑確定探針浸沒深度，再根據腐蝕時間和探針浸沒深度確定探針浸沒提起速度。
[0029]一種製備可控大長徑比納米探針的方法，所述粗腐蝕電壓為5?12V直流電，所述精腐蝕電壓為2?5V直流電。
[0030]一種製備可控大長徑比納米探針的方法，所述探針浸沒深度為I?10cm，所述探針浸沒提起速度為0.01?10mm/min。
[0031]一種製備可控大長徑比納米探針的方法，所述探針脫離提起速度大於100mm/min。
[0032]一種製備可控大長徑比納米探針的方法，所述腐蝕電壓切斷電路的反應時間小於100 μ S。
[0033]與現有技術相比，本實用新型具有的有益效果為:
[0034]1、探針浸入腐蝕液後就不停地緩慢提起探針，不再讓探針在腐蝕液中靜止腐蝕，從而形成具有較長的針尖段、針尖曲率半徑平滑變化並且長徑比大的新型納米探針。現有技術的探針的長徑比一般不超過10，對比文獻中的探針長徑比為3.7，而本實用新型製備的探針的長徑比可以達到40-400，並且針尖段平滑、針尖長，平滑的針尖耐磨損，並且由於直徑變化緩慢，在最尖端磨損後仍然可以繼續使用，更重要的是，較大的長徑比使得即使尖端磨損之後，還可以回收進行精腐蝕，獲得小曲率半徑的探針再使用，顯著降低了使用成本。
[0035]2、根據探針的長徑比要求確定探針的腐蝕深度，並進一步根據腐蝕深度與提起速度、腐蝕電壓之間的閉環關係，精確計算確定提起速度、腐蝕電壓，並通過腐蝕電壓、提起速度的精準控制，得到具有需要長徑比的納米探針，實現探針長徑比的精確可控性。
[0036]3、通過設置腐蝕電壓穩壓電路，保證腐蝕過程中腐蝕電壓保持恆定，實驗證明本實用新型製備納米探針裝置在腐蝕過程中的腐蝕電壓變化緩慢並且差值範圍在0.1V之內，腐蝕電壓非常恆定，因而製得的探針曲率恆定、形態標準。
[0037]4、設置腐蝕電壓切斷電路，單片機接收電壓變化信號，判斷並控制切斷腐蝕電壓，在切斷腐蝕電壓的同時控制三相異步電動機加速提起探針脫離腐蝕液，有利於形成更優的針尖形態。
[0038]5、設置探針浸沒判斷電路，在探針在接觸腐蝕液的瞬間，導通三極體並觸發電平變化，單片機檢測到電平變化信號，確定探針起點位置，控制探針浸沒至腐蝕液內預定深度，從而達到精確控制探針浸沒深度的目的。
[0039]6、採用腐蝕電壓5-12V直流電進行粗腐蝕，2_5V直流電進行精腐蝕，腐蝕電壓特別是精腐蝕電壓較低，探針脫離腐蝕液面時不易鈍化，避免曲率半徑達不到要求。
[0040]7、探針成形脫離腐蝕液後的脫離提起速度較高，一般為通過實驗獲得的探針最大上升速度，探針針尖不易被鈍化，有利於得到較小曲率半徑的探針。
[0041]8、採用由三向異步電機、滾珠絲槓、撓性聯軸器、連接軸承等結構組成的微位移裝置，連接可靠、位移精準、使用方便。
[0042]9、本實用新型提供的納米探針製備裝置，通過上位機、單片機以及自動控制電路的設置，實現了探針製備過程的全自動控制，操作方便、控制精準、自動化程度高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0043]圖1為本實用新型的可控大長徑比納米探針的製備裝置的結構示意圖。
[0044]圖2是本實用新型的可控大長徑比納米探針的製備裝置的探針浸沒判斷電路和腐蝕電壓切斷電路的電路圖。
[0045]圖3是本實用新型的可控大長徑比納米探針製備裝置的腐蝕電壓穩壓電路的電路圖。
[0046]圖4是本實用新型的可控大長徑比納米探針製備裝置的腐蝕電壓穩壓電路圖。
[0047]圖5是現有技術製備的納米探針的結構示意圖。
[0048]圖6是本實用新型製備的納米探針的結構示意圖。
[0049]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中:
[0050]1_機械位移裝置，11_二相異步電動機驅動器，12_二相異步電動機,13_接性聯軸器，14-軸承，15-滾珠絲槓，16-螺母，17-柔性鉸鏈，18-支架，19—移動工作板，20-探針夾具，2-控制機，21-上位機，22-單片機，3-腐蝕電壓穩壓電路，31-穩壓器，32-數字變阻器，
4-腐蝕電壓切斷電路，41-採樣電阻，42-電壓跟隨器，43-比例運算電路，44-電壓比較器，
5-探針浸沒電路，51-三極體。
【具體實施方式】
[0051]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
[0052]參見圖1，本實用新型提供的可控大長徑比納米探針的製備裝置，包括機械位移裝置1、控制機2和控制電路。其中，機械位移裝置I固定納米探針並帶動納米探針上下移動，控制機包括上位機21和單片機22，單片機22與機械位移裝置I相連並控制機械位移裝置移動。控制電路包括與單片機22相連接的腐蝕電壓穩壓電路3、腐蝕電壓切斷電路4和探針浸沒判斷電路5，其中:腐蝕電壓穩壓電路3用於接收單片機22發出的腐蝕電壓信號指令，並按照指令輸出預設的腐蝕電壓並保持腐蝕電壓恆定；探針浸沒判斷電路5用於檢測探針浸入、脫離腐蝕液面，並將探針浸入信號、探針脫離信號發送至單片機22。腐蝕電壓切斷電路4包括依次串聯的採樣電阻41、電壓跟隨器42、比例運算電路43和電壓比較器44。其中，採樣電阻41用於採集腐蝕電路電流值並將其轉換為電壓值，電壓跟隨器42用於跟隨轉換得到判斷電壓，比例運算電路43用於將判斷電壓信號放大，電壓比較器44輸出端與單片機22的1 口相連，電壓比較器44用於將判斷電壓與閾值電壓進行比較，當判斷電壓低於閾值電壓時，電壓比較器44輸出端由低電平變為高電平，並將電平轉變信號傳送至單片機22。
[0053]腐蝕開始時，腐蝕電壓切斷電路4開始採集腐蝕電路的電流信號，得到腐蝕電路電流在採樣電阻上的電壓，即判斷電壓。當探針即將脫離液面、腐蝕過程即將完成時，整個腐蝕電路的電阻急劇增大，導致腐蝕電流和判斷電壓也急劇減小，判斷電壓迅速減小至低於閾值電壓，電壓比較器44的輸出端由低電平變為高電平，單片機22檢測到此信號變化後切立即斷腐蝕電壓，腐蝕過程停止。同時單片機22控制機械位移裝置I按照探針脫離速度加速向上提起探針脫離腐蝕液。通過腐蝕切斷電路4的設置，能夠精確控制腐蝕過程的停止，並在停止的同時快速提起探針，有利於形成更好的探針針尖形態。
[0054]本實用新型提供的可控大長徑比納米探針的製備裝置，腐蝕電壓穩壓電路3包括串聯的穩壓器31和數字變阻器32，穩壓器31優選開關型集成穩壓器，數字變阻器32的輸入端與單片機22的輸出端相連，數字變阻器32接收單片機22發出的指令並改變自身電阻值，使穩壓器31輸出預設的腐蝕電壓並保持腐蝕電壓恆定。單片機22指令來自上位機21得到預設的腐蝕電壓值經計算得到數字變阻器32的阻值。
[0055]本實用新型提供的可控大長徑比納米探針的製備裝置，探針浸沒判斷電路5包括三極體51，三極體51的基極與腐蝕電路相連，集電極與單片機22的輸入端相連。三極體51在探針浸入腐蝕液時導通並向單片機22發送探針浸入信號。使用時，探針在接觸腐蝕液的瞬間，三極體51的基極有電流通過，三極體51導通，P2.2 口由原來的高電平狀態轉為低電平狀態，單片機22檢測到電平的變化後，以探針此處位置為基點，控制機械位移裝置I使探針向腐蝕液內再移動相應距離，從而達到精確控制探針浸沒深度的目的。
[0056]本實用新型提供的可控大長徑比納米探針的製備裝置，機械位移裝置I包括三相異步電動機驅動器11、三相異步電動機12、撓性聯軸器13、軸承14、滾珠絲槓15、固定螺母16、柔性鉸鏈17、支架18、移動工作板19和探針夾具20。其中，三相異步電動機驅動器11的輸入端連接單片機22，輸出端連接三相異步電動機12，三相異步電動機驅動器用於接收單片機22發出的指令，並按照指令驅動三相異步電動機12運轉。三相異步電動機12的主軸通過撓性聯軸器13與滾珠絲槓15的固定端固定連接，滾珠絲槓15通過軸承14固定在支架18上。滾珠絲槓15上固定有螺母16，移動工作板19通過柔性鉸鏈17與螺母16固定連接，移動工作板19上固定連接探針夾具20。使用時，在單片機22的指令下，三相異步電動機驅動器11控制三相異步電動機12轉動，三相異步電動機12通過撓性聯軸器13帶動滾珠絲槓15轉動，與滾珠絲槓15咬合的螺母16沿滾珠絲槓軸向直線運動，並帶動移動工作板19、探針夾具20以及探針沿滾珠絲槓軸向作直線運動。
[0057]本實用新型提供的可控大長徑比納米探針的製備裝置，優選地將機械位移裝置的軸承14設為上軸承和下軸承，分別位於滾珠絲槓15的上端和下端，優選地設置上軸承為固定式軸承，下軸承為遊動式軸承。
[0058]本實用新型提供的可控大長徑比納米探針的製備裝置，探針夾具20採用排針和排母結構，排針固定在移動工作板19上，探針安裝在排母上。採用排針排母結構安裝固定探針，既可以實現導電連接又方便裝拆，並由於探針在腐蝕過程中受到的作用力非常小，此種連接也足夠牢固穩定，可靠實現探針在豎直方向上的往返直線運動。
[0059]本實用新型提供的一種可控大長徑比納米探針的製備方法，包括以下步驟:
[0060]I)安裝探針，對探針進行清洗處理，清洗處理優選超聲振蕩清洗；
[0061]2)上位機21輸入預設的粗腐蝕電壓、精腐蝕電壓、探針浸沒深度、探針浸沒提起速度、探針脫離提起速度；
[0062]3)單片機22控制機械位移裝置I正轉並帶動探針下降，當探針接觸腐蝕液瞬間，探針浸沒判斷電路5檢測到探針浸入腐蝕液並向單片機22發出探針浸入信號，單片機22控制腐蝕電壓穩壓電路3輸出粗腐蝕電壓，探針開始粗腐蝕；
[0063]4)當探針浸入腐蝕液後，單片機22控制機械位移裝置I繼續下移，直到探針到達預設的浸沒深度，然後單片機22控制機械位移裝置I反轉，帶動探針按照預設的探針浸沒提起速度向上提起探針；
[0064]5)探針開始腐蝕時，腐蝕電壓切斷電路4的採樣電阻41開始採集腐蝕電路的電流信號並將其轉換為電壓值，經過電壓跟隨器42跟隨放大後得到判斷電壓，再經比例運算電路43放大後輸出至電壓比較器44，電壓比較器44將判斷電壓與預設的閾值電壓進行比較，當判斷電壓低於閾值電壓時，電壓比較器輸出端由低電平變為高電平，單片機22檢測到此信號變化後切立即斷腐蝕電壓，腐蝕過程停止，同時單片機22控制機械位移裝置I按照探針脫離提起速度向上提起探針，直到到達探針初始位置時停止，探針初始位置一般位於液面以上5cm左右；
[0065]6)單片機22再次控制機械位移裝置I正轉並帶動探針下降，當探針接觸腐蝕液瞬間，探針浸沒判斷電路5檢測到探針浸入腐蝕液並向單片機22發出探針浸入信號，單片機22控制腐蝕電壓穩壓電路3輸出預設的精腐蝕電壓，探針開始精腐蝕；
[0066]7)重複步驟4) -5)，完成探針製備。
[0067]本實用新型提供的可控大長徑比納米探針的製備方法，粗腐蝕電壓優選範圍為5?12V直流電，精腐蝕電壓優選範圍為2?5V直流電。由電化學動力學理論可知，腐蝕電壓越大，腐蝕速率越高，腐蝕所用時間越短，但是腐蝕電壓過大時，探針在脫離腐蝕液面時容易鈍化，針尖曲率半徑達不到要求。因此，本實用新型採用粗、精兩次腐蝕的方法，腐蝕電壓特別是精腐蝕電壓較小，探針脫離腐蝕液面時不易鈍化，使探針針尖曲率半徑達到要求。
[0068]本實用新型提供的可控大長徑比納米探針的製備方法，可根據腐蝕電壓、浸入深度和腐蝕上升速度(即探針浸沒提起速度)之間的定量關係，確定滿足探針長徑比要求的相關製備參數，實現製備納米探針長徑比的精確可控性。
[0069]由電化學動力學理論可知，在腐蝕液濃度一定的情況下，腐蝕電壓與探針腐蝕速率成正比，所以對於直徑一定的探針，所需要的腐蝕時間與腐蝕電壓也成正比，此正比數值關係可以由實驗具體得到，因而可以根據腐蝕電壓確定腐蝕時間。由長徑比定義可知，長徑比等於探針浸沒深度除以探針直徑，因此可以由探針直徑和長徑比確定探針浸沒深度，再根據確定的腐蝕時間，進一步確定探針浸沒提起速度。本實用新型提供的可控長徑比納米探針的製備方法，可以採用輸入腐蝕電壓、腐蝕深度和探針浸沒提起速度中的任意兩個值，通過前述定量關係計算確定另一個值。優選地，選擇向上位機21輸入腐蝕電壓和腐蝕深度，計算確定探針浸沒提起速度。
[0070]本實用新型提供的可控大長徑比納米探針的製備方法，根據上述腐蝕電壓、腐蝕時間、浸沒深度和探針浸沒提起速度之間的定量關係，以及確定的腐蝕電壓、探針直徑和長徑比，優選地設置探針浸沒深度範圍為I?10cm，進一步地根據腐蝕時間，可確定探針浸沒提起速度優選範圍0.01?10mm/min。
[0071]本實用新型提供的可控大長徑比納米探針的製備方法，優選針設置探針脫離提起速度大於100mm/min。探針成形脫離腐蝕液後的上升速度即為脫離提起速度，脫離提起速度越快，探針針尖越不易被鈍化，曲率半徑就越小。探針脫離提起速度優選通過實驗獲得的探針最大上升速度100mm/min。探針脫離提起速度也可由用戶自行設定，如無設定，控制機默認設定為探針最大上升速度。
[0072]本實用新型提供的可控大長徑比納米探針的製備方法，優選地設置腐蝕電壓切斷電路4的反應時間小於100 μ S。腐蝕電壓切斷電路的反應時間越短，探針越不容易鈍化，尖端曲率半徑越小，反應時間主要由電壓比較器44的反應時間、穩壓器31的反應時間決定。
[0073]本實用新型提供的可控大長徑比納米探針的製備方法，單片機22還設置有計時軟體，所述步驟5)還包括當探針下降至預設的浸沒深度時，腐蝕時間計時開始，當探針上升至脫離腐蝕液時，腐蝕時間計時停止。單片機22上設置計時軟體，能夠在探針腐蝕實驗中記錄腐蝕所用時間，以得到腐蝕所需時間與腐蝕電壓的正比關係，以便在正式製備納米探針時根據腐蝕電壓確定腐蝕時間，並進一步確定浸沒提起速度等重要參數。
[0074]採用本實用新型的納米探針製備裝置與製備方法所製備的納米探針與對比文獻所製備探針的差別，參見圖5和圖6。圖5為現有技術製備的納米探針的結構示意圖，探針具有明顯的針尖段(針尖段與非針尖段的直徑有較大差距)，針尖段長度很短，探針長徑比很小(說明書指出探針的長徑比為3.7)。圖6為採用本實用新型的製備裝置與製備方法製得的納米探針，探針沒有明顯的針尖段(針尖段與非針尖段的直徑沒有陡然的變化)，針尖的曲率變化平緩、連續，因而整個探針都可以作為針尖段，探針的長徑比可達40-400，遠遠高於對比文獻的3.7，並且變化範圍大。對比文獻的探針由於針尖短、長徑比小，針尖非常容易磨損，並且針尖磨損之後即不可再使用。而本實用新型的探針針尖長，長徑比大，可達40-400，這種探針在納米操控時首先不易磨損，其次在最尖端磨損後由於其直徑變化緩慢，可以繼續使用，最後當磨損到不可使用時，可以回收進行精腐蝕而獲得小半徑的探針繼續使用，顯著降低探針的使用成本。
[0075]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種可控大長徑比納米探針的製備裝置，其特徵在於:所述裝置包括機械位移裝置(I)、控制機(2)和控制電路，所述機械位移裝置(I)固定納米探針並帶動納米探針上下移動，所述控制機包括上位機(21)和單片機(22)，所述單片機(22)與機械位移裝置(I)相連並控制機械位移裝置(I)移動，所述控制電路包括與單片機(22)相連接的腐蝕電壓穩壓電路(3)、腐蝕電壓切斷電路⑷和探針浸沒判斷電路(5)； 所述腐蝕電壓切斷電路(4)包括依次串聯的採樣電阻(41)、電壓跟隨器(42)、比例運算電路(43)和電壓比較器(44)，所述採樣電阻(41)與腐蝕電路相連，用於採集腐蝕電路電流值並將其轉換為電壓值，所述電壓跟隨器(42)用於跟隨轉換得到判斷電壓，所述比例運算電路(43)用於將判斷電壓信號放大；所述電壓比較器(44)輸出端與單片機(22)的1 口相連，所述電壓比較器(44)用於將判斷電壓與閾值電壓進行比較，當判斷電壓低於閾值電壓時，電壓比較器(44)輸出端由低電平變為高電平，並將電平轉變信號傳送至單片機(22)； 所述腐蝕電壓穩壓電路(3)接收單片機(22)發出的腐蝕電壓信號指令，並按照指令輸出預設的腐蝕電壓並保持腐蝕電壓恆定； 所述探針浸沒判斷電路(5)檢測探針浸入腐蝕液面，並將探針浸入信號信號發送至單片機(22)。
2.根據權利要求1所述的一種可控大長徑比納米探針的製備裝置，其特徵在於:所述腐蝕電壓穩壓電路(3)包括串聯的穩壓器(31)和數字變阻器(32)，所述數字變阻器(32)的輸入端與單片機(22)的輸出端相連，所述數字變阻器(32)接收單片機(22)發出的指令並改變自身電阻值，使穩壓器(31)輸出預設的腐蝕電壓並保持腐蝕電壓恆定。
3.根據權利要求1所述的一種可控大長徑比納米探針的製備裝置，其特徵在於:所述探針浸沒判斷電路(5)包括三極體(51)，所述三極體(51)的基極與腐蝕電路相連，集電極與單片機(22)的輸入端相連，所述三極體(51)在探針浸入腐蝕液時導通並向單片機(22)發送探針浸入信號。
4.根據權利要求1所述的一種可控大長徑比納米探針的製備裝置，其特徵在於:所述機械位移裝置(I)包括三相異步電動機驅動器(11)、三相異步電動機(12)、撓性聯軸器(13)、軸承(14)、滾珠絲槓(15)、固定螺母(16)、柔性鉸鏈(17)、支架(18)、移動工作板(19)和探針夾具(20)，所述三相異步電動機驅動器(11)的輸入端連接單片機(22)，輸出端連接三相異步電動機(12)，所述三相異步電動機(12)的主軸通過撓性聯軸器(13)與滾珠絲槓(15)的固定端固定連接，所述滾珠絲槓(15)通過軸承(14)固定在支架(18)上，所述滾珠絲槓(15)上固定有螺母(16)，所述移動工作板(19)通過柔性鉸鏈(17)與螺母(16)固定連接，所述移動工作板(19)上固定連接探針夾具(20)。
5.根據權利要求4所述的一種可控大長徑比納米探針的製備裝置，其特徵在於:所述軸承(14)包括分別位於滾珠絲槓(15)的上端、下端的上軸承和下軸承，所述上軸承為固定式軸承，所述下軸承為遊動式軸承。
6.根據權利要求4所述的一種可控大長徑比納米探針的製備裝置，其特徵在於:所述探針夾具(20)包括排針和排母，所述排針固定在移動工作板(19)上，探針安裝在排母上。
【文檔編號】G01Q70/00GK204028107SQ201420380188
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年7月10日 優先權日:2014年7月10日
【發明者】趙昊, 劉曉軍, 王香凝, 章明 申請人:華中科技大學