基于飞秒激光与高温成型悬臂梁探针的方法及悬臂梁探针
阅读说明：本技术 基于飞秒激光与高温成型悬臂梁探针的方法及悬臂梁探针 (Method for forming cantilever probe based on femtosecond laser and high temperature and cantilever probe ) 是由 刘红英 刘光献 顾春川 邓敏 樊凯 李杜娟 厉力华 陈建龙 于 2020-07-17 设计创作，主要内容包括：本发明属于微纳米制造领域,尤其涉及一种基于飞秒激光与高温成型悬臂梁探针的方法及悬臂梁探针。其成型方法包括步骤：S1、将尺寸为微纳米数量级的硅基板放置于显微镜下；S2、对所述硅基板的表面进行离子刻蚀,形成若干个孔；S3、对离子刻蚀后的硅基板进行高温成型,以在硅基板内部形成空腔,得到内部含有空腔的悬臂梁；S4、将所述内部含有空腔的悬臂梁的一端固定,调节飞秒激光性能参数,在悬臂梁的另一端利用飞秒激光进行探针的成型。本发明制造悬臂梁探针的方法简易有效,省去了采购昂贵的试验设备所需的成本,并且悬臂梁内部含有空腔,提高了悬臂梁探针的谐振频率,从而提高了悬臂梁探针的探测精度。(The invention belongs to the field of micro-nano manufacturing, and particularly relates to a method for forming a cantilever probe based on femtosecond laser and high temperature and the cantilever probe. The molding method comprises the following steps: s1, placing the silicon substrate with the size of micro-nano order under a microscope; s2, performing ion etching on the surface of the silicon substrate to form a plurality of holes; s3, performing high-temperature forming on the silicon substrate subjected to the ion etching to form a cavity in the silicon substrate, and obtaining a cantilever beam with the cavity in the silicon substrate; and S4, fixing one end of the cantilever beam with the cavity inside, adjusting the performance parameters of the femtosecond laser, and molding the probe at the other end of the cantilever beam by using the femtosecond laser. The method for manufacturing the cantilever beam probe is simple and effective, saves the cost for purchasing expensive test equipment, and improves the resonant frequency of the cantilever beam probe by containing the cavity in the cantilever beam, thereby improving the detection precision of the cantilever beam probe.)
技术领域
本发明属于微纳米制造领域，尤其涉及一种基于飞秒激光与高温成型悬臂梁探针的方法及悬臂梁探针。
背景技术
微型悬臂梁是一种极其精密的微机械结构，广泛的用于微传感器以及原子力显微镜领域当中。其工作原理是将极小的物理信号变化以及化学信号变化转化为电信号的变化，方便后期的精确计算以及记录。常见的物理信号变化以及化学信号变化主要是悬臂梁的表面压力变化、热变化以及化学反应变化。
微悬臂梁探针是微传感器当中最为至关重要的组成部分，一般多采用低压化学蒸汽沉积、化学腐蚀以及溅射等技术进行制备。上述这些技术存在着实验设备昂贵，制造工序极其复杂且成型效率低等一系列缺点。现有技术存在的缺陷一定程度上抑制了微悬臂梁在传感器领域内的应用发展。
如申请号为CN200910303393.2的中国专利，公开了一种压电微悬臂梁探针的制作方法，其使用局部压电层的方法，成功的解决了光刻工艺中硅针尖与掩膜版表面干涉的问题，实现压电薄膜工艺与湿法腐蚀针尖工艺的集成，并且保持针尖的尖锐度。局部压电层的长度也可以随版图设计长度的变化而变；并且采用压电薄膜作为敏感部件，兼具传感、执行功能，因此，这种压电微悬臂梁探针即可以作微传感器，也可以作微执行器。但是其压电层的制作方法为：溅射钛/铂金属薄膜，形成底电极；正面光刻，图形化底电极，形成U形窗口；使用溶胶-凝胶法制备压电薄膜；溅射铂金属薄膜作为上电极，并使用剥离工艺使上电极图形化；使用烘干的压电薄膜溶胶作为绝缘层；溅射和图形化底电极中，先溅射钛作为过渡层，再溅射铂作为底电极；钛和铂金属薄膜的腐蚀剂分别为氢氟酸溶液和王水。可知，其制作方法利用的为化学腐蚀以及溅射等技术，因此还是需要昂贵的试验设备，并且制造工序也极其复杂。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于飞秒激光与高温成型悬臂梁探针的方法及悬臂梁探针。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于飞秒激光与高温成型悬臂梁探针的方法，包括步骤：
S1、将尺寸为微纳米数量级的硅基板放置于显微镜下；
S2、对所述硅基板的表面进行离子刻蚀，形成若干个孔；
S3、对离子刻蚀后的硅基板进行高温成型，以在硅基板内部形成空腔，得到内部含有空腔的悬臂梁；
S4、将所述内部含有空腔的悬臂梁的一端固定，调节飞秒激光性能参数，在悬臂梁的另一端利用飞秒激光进行探针的成型。
作为优选方案，在步骤S4中，飞秒激光照射在悬臂梁的另一端的中央处,以形成探针。
作为优选方案，硅基板的长度以及宽度为微米数量级。
作为优选方案，硅基板的高度为纳米数量级。
作为优选方案，在步骤S2中，所述孔的高度为H、孔的直径为D、相邻两孔的中心轴之间的距离为Ds；孔的高度H小于硅基板的厚度；相邻两孔的中心轴之间的距离Ds等于孔的直径D。
作为优选方案，在步骤S3中，高温成型的温度为1150℃。
作为优选方案，在步骤S4中，飞秒激光的能量功率以及照射功率均可以调节，以保证悬臂梁的端部成型出相应的探针。
作为优选方案，每次调节完成后进行飞秒激光照射的时间为10s。
作为优选方案，飞秒激光照射功率为75mW。
本发明还公开了一种悬臂梁探针，所述悬臂梁探针采用如上任一方案所述的成型方法，悬臂梁内部含有空腔。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
1、本发明制造悬臂梁探针的方法简易有效，没有运用到化学腐蚀以及溅射等技术，省去了采购昂贵的试验设备所需的成本，并且制造加工简易，有利于悬臂梁探针的产业化制造，与现在提倡的绿色生态制造技术相呼应。
2、本发明的悬臂梁内部含有空腔，提高了悬臂梁探针的谐振频率，从而提高了悬臂梁探针的探测精度。
3、通过调节飞秒激光的照射功率以及能量功率，即可在悬臂梁端部成型出相应的探针，制造加工简易，有利于悬臂梁探针的产业化制造。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种基于飞秒激光与高温成型悬臂梁探针的方法的流程图；
图2为硅基板经过离子刻蚀后的结构示意图；
图3为悬臂梁的结构示意图；
图4为飞秒激光照射悬臂梁时的结构示意图；
图5为悬臂梁探针的结构示意图；
图6为悬臂梁探针的工作原理图；
图中的编码分别为：1-硅基板；2-孔；3-空腔；4-飞秒激光；5-悬臂梁固定架；6-悬臂梁；7-探针；8-悬臂梁探针；9-激光发生器；10-光电检测器；11-待测物体；H-孔的高度；D-孔的直径；Ds-相邻两孔的中心轴之间的距离。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一：
参照图1、2、3、4、5本实施例提供了一种基于飞秒激光与高温成型悬臂梁探针的方法，包括步骤：
S1、将尺寸为微纳米数量级的硅基板1放置于显微镜下；
S2、对所述硅基板1的表面进行离子刻蚀，形成若干个孔2；
S2、对离子刻蚀后的硅基板1进行高温成型，以在硅基板1内部形成空腔3，得到内部含有空腔3的悬臂梁6；
S4、将所述内部含有空腔3的悬臂梁6的一端固定，调节飞秒激光4性能参数，在悬臂梁6的另一端利用飞秒激光4进行探针的成型。
微悬臂梁探针是微传感器当中最为至关重要的组成部分，一般多采用低压化学蒸汽沉积、化学腐蚀以及溅射等技术进行制备，然而上述这些技术存在着实验设备昂贵，制造工序极其复杂且成型效率低等一系列缺点。现有技术存在的缺陷一定程度上抑制了微悬臂梁在传感器领域内的应用发展。
而在本发明中则利用飞秒激光4照射悬臂梁6表面，基于飞秒激光4的温度场成型悬臂梁6表面的探针7，并且基于高温在悬臂梁6的内部成型出空腔3，从而提高悬臂梁探针8的谐振频率，从而使得悬臂梁探针8的探测精度变高。可知，本发明中制造悬臂梁探针8的方法简易有效，没有运用到化学腐蚀以及溅射等技术，省去了采购昂贵的试验设备所需的成本，并且制造加工简易，有利于悬臂梁探针8的产业化制造，与现在提倡的绿色生态制造技术相呼应。
在步骤S2中，所述孔2的高度为H、孔2的直径为D、相邻两孔2的中心轴之间的距离为Ds；孔2的高度H小于硅基板1的厚度；相邻两孔2的中心轴之间的距离Ds等于孔2的直径D。硅基板1的长度以及宽度为微米数量级，硅基板1的高度为纳米数量级，由于采用的是微纳米数量级的硅基板1，因此在步骤S1中所选用的显微镜为高精度显微镜，以保证硅基板1在高精度显微镜下可以清晰可见。
在步骤S3中，高温成型的温度为1150℃，此时硅原子扩散系数最高，更有利于空腔3的成型。
在步骤S4中，悬臂梁6的一端固定于悬臂梁固定架5上，飞秒激光4照射在悬臂梁6的另一端的中央处,以形成探针7。飞秒激光4的能量功率F以及照射功率P均可以调节，以保证悬臂梁6的端部成型出相应的探针7，多次尝试飞秒激光4的照射功率P，从25mW到75mW，每次按照5mW的调节间隔进行尝试，并且每一次飞秒激光4照射的时间都确定为10秒，确保硅基表面形态成型的稳定性，理论上飞秒激光在75mW时的成型效果最佳。
实施例二：
参照图5，本发明还提供了一种悬臂梁探针8，采用如实施例一所述的制备方法，悬臂梁探针8的悬臂梁6内部含有空腔3，因此提高了悬臂梁探针8的谐振频率，从而使得悬臂梁探针8的探测精度变高。
参照图6，本发明的悬臂梁探针8的工作原理为：激光发射器9发射激光至悬臂梁探针8，激光经过反射后照射至光电检测器10，由于当悬臂梁探针8接触待测物体11时，探针7将产生轻微的形变，因此悬臂梁6的挠度也会发生些许变形，此时经反射照射至光电检测器10的光束产生了偏移量，从而就可以推导出悬臂梁6的弹性形变Δx，最后依据硅基板1的弹性系数k以及胡克定律F＝k·Δx可以直接求出探针7与待测物体11之间的作用力F，最后根据作用力F的变化便可间接的获得待测物体11表面形貌。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。