激光刻蝕半球型鉑電阻的定位研究

孔榮宗，劉濟(jì)春，吳云峰，肖紅云，吳 波

(1.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速空氣動(dòng)力研究所，綿陽621000;2.電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都610054)

引 言

薄膜熱流傳感器是利用附著在某種材料表面的金屬薄膜測量材料表面溫度變化，通過傳熱模型計(jì)算獲得表面熱流密度的一種傳感器。目前，薄膜鉑電阻熱流傳感器的鉑薄膜作為主要的測溫敏感元件，憑借其穩(wěn)定性好、測量范圍大、精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)在各個(gè)行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，發(fā)展勢頭相當(dāng)迅猛，如何制作高質(zhì)量的薄膜鉑電阻已成為行業(yè)討論熱點(diǎn)［1］。在高超聲速氣動(dòng)熱環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方面，由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯庑螐?fù)雜，模型上不同表面位置的熱流值變化劇烈，準(zhǔn)確定位測點(diǎn)位置是獲得高精度實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)的前提條件。

傳統(tǒng)的鉑薄膜制作方法是利用掩膜制作鉑薄膜，但氣動(dòng)熱模型的復(fù)雜導(dǎo)致掩膜制作困難、傳感器成本高。在現(xiàn)有的微電子微細(xì)加工技術(shù)［2］中，激光刻蝕是利用激光對集成光學(xué)器件、微光學(xué)與衍射元件、計(jì)算全息圖等進(jìn)行精密加工，具有工藝簡單、精度高、速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于薄膜電阻的制作［3-5］，在激光刻蝕薄膜鉑電阻的研究中，遇到了在半球面上刻蝕薄膜鉑電阻的情形，因此展開了激光刻蝕工藝研究。

1 激光刻蝕原理

激光刻蝕薄膜鉑電阻的工作原理是將激光器發(fā)出的脈沖激光束進(jìn)行聚焦，根據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)置的圖形掃描薄膜層，使被掃描的鉑膜層熔融、蒸發(fā)或汽化，通過改變薄膜的寬度、厚度或長度，調(diào)整薄膜電阻的電阻值［6］。

激光刻蝕機(jī)是集計(jì)算機(jī)控制、光學(xué)、精密機(jī)械和精密測量等技術(shù)于一體的高技術(shù)微細(xì)加工設(shè)備［7-10］。激光刻蝕系統(tǒng)的基本機(jī)構(gòu)如圖1所示，主要由激光器、擴(kuò)束器、掃描振鏡、聚焦透鏡、CCD相機(jī)、照明光源、調(diào)焦系統(tǒng)、2維移動(dòng)工作平臺(tái)和控制技術(shù)機(jī)等部分構(gòu)成。

Fig.1 Schematic of main components of laser corrosion system

激光刻蝕半球型工件的工作流程如圖2所示。對電阻的刻蝕圖形預(yù)先利用AutoCAD設(shè)計(jì)后輸入到計(jì)算機(jī);利用視覺成像系統(tǒng)對加工點(diǎn)進(jìn)行精確定位，通過2維平臺(tái)把激光光束中心移動(dòng)到加工點(diǎn);在垂直方向上調(diào)焦系統(tǒng)微調(diào)平場自聚焦透鏡，激光光束聚焦達(dá)到最好的質(zhì)量;激光按照一定的軌跡燒蝕薄膜電阻是根據(jù)計(jì)算機(jī)預(yù)置圖形生成的掃描路徑，實(shí)現(xiàn)預(yù)置圖形。

Fig.2 The flowchart of laser corrosion hemisphere platinum resistor

由于加工的半球型工件比CCD相機(jī)視場要大得多，對加工位置即半球半圓周上的加工點(diǎn)進(jìn)行精確定位變得異常困難，因?yàn)樵谝曈X系統(tǒng)中無法直接識(shí)別頂點(diǎn)。作者通過對半球邊緣上的點(diǎn)進(jìn)行定位，通過計(jì)算對半球頂點(diǎn)完成定位并切割電阻;載物平臺(tái)旋轉(zhuǎn)一定角度并補(bǔ)償計(jì)算出的補(bǔ)償值，完成對加工點(diǎn)定位并切割電阻，最后對定位結(jié)果進(jìn)行了測量驗(yàn)證。

2 LED背光源

激光刻蝕機(jī)的視覺成像系統(tǒng)［7］包括光源、CCD相機(jī)和成像鏡頭等，其功能包括兩個(gè)方面:(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測激光光束質(zhì)量，測量參量用于光束控制系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制;(2)精確定位被加工區(qū)域，實(shí)時(shí)監(jiān)控加工過程。

傳感器玻璃基底為半球型［11］，尺寸為?40mm。刻蝕機(jī)視覺成像系統(tǒng)采用定焦鏡頭，視場約為3.2mm×2.5mm，因此整個(gè)半球的輪廓無法全部顯現(xiàn)，在計(jì)算機(jī)上看到的是半球的一小部分，要加工的半球頂點(diǎn)位置在獲得的視頻圖像中無法直接定位出，因此提出了先對半球邊緣點(diǎn)提取坐標(biāo)，然后利用計(jì)算定位半球頂點(diǎn)，根據(jù)計(jì)算值旋轉(zhuǎn)載物平臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸以定位半圓周加工點(diǎn)。載物平臺(tái)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

Fig.3 Rotary platform

實(shí)現(xiàn)上述方法需要對半球邊緣進(jìn)行清晰地成像。LED背光源具有發(fā)光均勻、方向分散、亮度高、壽命長等特點(diǎn)［12］。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，采用了對半球邊緣成像效果最好的LED背光源作為視覺成像系統(tǒng)的光源。

3 邊緣點(diǎn)坐標(biāo)值提取

刻蝕機(jī)視覺成像系統(tǒng)拍攝的工件圖像是俯視圖，在此圖上半球型樣品的邊緣將會(huì)是一個(gè)圓型。由于整個(gè)工件無法完全呈現(xiàn)在視場中，因此如圖4所示，在視頻畫面中移動(dòng)平臺(tái)只能看到很小的一部分圓形邊緣。

Fig.4 Hemisphere edge image

邊緣被找到后，暫停攝像得到邊緣圖像。如圖4中的邊緣圖像所示，可以通過兩條紅色直線確定邊緣上的一個(gè)點(diǎn)，其中一條直線與邊緣相切，另外一條直線和第1條直線相會(huì)點(diǎn)是切點(diǎn)，這個(gè)切點(diǎn)的坐標(biāo)值就是需要獲得的半球邊緣上的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)值。

4 頂點(diǎn)坐標(biāo)值計(jì)算

因?yàn)樾枰苿?dòng)水平移動(dòng)平臺(tái)使得激光光斑聚焦點(diǎn)和激光燒蝕位置是同一點(diǎn)才能進(jìn)行定位，因此只需要計(jì)算半球底面所在平面的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。采用上述方法提取半球邊緣四周的4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，分別設(shè)為B(x1，y1)，C(x2，y2)，D(x3，y3)和E(x4，y4)。這4個(gè)點(diǎn)組成一個(gè)圓，設(shè)其圓心坐標(biāo)為A(x0，y0)，圓心到4個(gè)點(diǎn)的距離相等即為半徑，因此AB=AC，AD=AE，可以得到如下公式:

根據(jù)上面公式，計(jì)算出的坐標(biāo)點(diǎn)A(x0，y0)即為這4個(gè)點(diǎn)確定的圓的圓心。因?yàn)榘肭蝽旤c(diǎn)在半球底面的俯視圖中的點(diǎn)就是圓心A，因此激光刻蝕機(jī)根據(jù)圓心A的坐標(biāo)值移動(dòng)水平平臺(tái)把激光光斑在半球頂點(diǎn)上聚焦定位。計(jì)算機(jī)就可以控制振鏡以半球頂點(diǎn)作為預(yù)制圖形原點(diǎn)完成激光掃描刻蝕，去除不需要的薄膜，得到設(shè)計(jì)獲得的薄膜電阻圖形。

5 旋轉(zhuǎn)定位

如圖5所示的半圓周上，需要在頂點(diǎn)B一側(cè)C點(diǎn)處燒蝕薄鉑膜。由于薄膜形狀與傳感器性能有較大關(guān)系，理想的薄膜電阻圖形邊緣平整、且垂直于工件表面。要實(shí)現(xiàn)如此的激光刻蝕薄膜電阻圖形，在棱鏡掃描時(shí)，需要通過旋轉(zhuǎn)平臺(tái)不斷移動(dòng)工件，使激光聚焦光斑一直垂直于半球的加工點(diǎn)的切面。在圖5中，A為半球球心，O為旋轉(zhuǎn)軸軸心，球心與軸心不是同一點(diǎn)，兩點(diǎn)之間的距離為d，∠BAC的角度值為θ。如旋轉(zhuǎn)軸沿O旋轉(zhuǎn)θ后，同樣半球旋轉(zhuǎn)了θ，保證激光聚焦光斑一直垂直于半球過C點(diǎn)的切面。但是如圖5所示，半球球心A將在y方向和z方向發(fā)生偏移 Δy，Δz，移動(dòng)到A'。

Fig.5 Platform sketch and Hemisphere sketch map

在圖5 中，l/2=dsin(θ/2)，推導(dǎo)出l=2dsin(θ/2);g+f=90°，θ/2+f=90°，推導(dǎo)出 θ/2=g;由Δy=lcosg，Δz=lsing，得到:

在旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)θ后，按Δy和Δz值移動(dòng)2維平臺(tái)，補(bǔ)償y方向和z方向的偏移量，實(shí)現(xiàn)了球心A旋轉(zhuǎn)了θ，激光聚焦光斑在C點(diǎn)定位，保證激光束垂直于半球切面。計(jì)算機(jī)此時(shí)可以控制振鏡以此點(diǎn)視為預(yù)存圖形原點(diǎn)進(jìn)行激光掃描刻蝕薄膜，去除設(shè)置圖形薄膜形成所需的薄膜電阻圖形。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用上述方法完成定位后，進(jìn)行了半球局部刻蝕驗(yàn)證，半球頂點(diǎn)和頂點(diǎn)加工點(diǎn)相差5°。圖6a為計(jì)算機(jī)中預(yù)存的薄膜電阻的設(shè)計(jì)圖形，激光刻蝕后形成的圖形為圖6b。圖6a和6b相比較，可以初步觀察到兩圖形狀近似，形成的薄膜電阻邊緣較齊整，但也有一些差異。

Fig.6 Corrosion image

驗(yàn)證半球鉑電阻頂點(diǎn)定位:半球型鉑電阻頂點(diǎn)可認(rèn)為是圖6中兩個(gè)三角形的共同頂點(diǎn)，半球半徑采用游標(biāo)卡尺測量，4個(gè)方向的半徑的測量值為r1;各方向?qū)?yīng)的半球真正直徑測量值為m，因此由r2=m/2計(jì)算獲得半球真正的半徑值r2。表1中的數(shù)據(jù)是4個(gè)方向半球測量半徑與真正半徑的差值的絕對值。半球材料為耐高溫玻璃，存在加工誤差，導(dǎo)致在4個(gè)方向的真正半徑，即r2的值是不相同的，從表1可以計(jì)算得到的平均值為0.08mm。而半球?qū)嶋H半徑值可以認(rèn)為是4個(gè)方向的真正半徑值r2的平均值，其值約為20.07mm。因此實(shí)際的圓心與通過以上定位方法定位的圓心的距離偏差平均值約為0.08mm，與真正半徑值r2的平均值相比誤差約是0.39%，如此小的差異是可以滿足傳感器制作和熱流測量要求。

Table 1 Observed value

驗(yàn)證頂點(diǎn)一側(cè)加工點(diǎn)定位:如圖5所示，2維移動(dòng)平臺(tái)從頂點(diǎn)B移動(dòng)到加工點(diǎn)C在y方向的距離是線段BD的長度，可以計(jì)算得BD值為1750μm，其精度為2μm。旋轉(zhuǎn)角度 θ可以利用△ABC和△BDC的關(guān)系計(jì)算獲得。△ABC中B點(diǎn)到AC邊的高是BE，由于BD與AB垂直，BE與AC垂直，B，C兩點(diǎn)都是半圓上的點(diǎn)，因此有AB=AC=r，有∠ACB=∠ABC，∠ACB+∠EBC=90°，∠ABC+∠CBD=90°，根據(jù)上述關(guān)系可以推得∠CBD=∠EBC，有△BDC與△BEC全等，推導(dǎo)出BD=BE;BE=rsinθ，推出θ=arcsin(BD/r)。由于理論半球半徑為r值為20mm，代入上式計(jì)算出旋轉(zhuǎn)角度 θ的值為5.02°，相對誤差3.9%，誤差較小滿足了刻蝕定位精度要求。

7 結(jié)論

在半球型工件尺寸大于視覺系統(tǒng)視場時(shí)，半球半圓周上的加工點(diǎn)定位困難，解決方法是先提取半球邊緣上4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后半球頂點(diǎn)坐標(biāo)值是使用這4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值計(jì)算獲得，再實(shí)現(xiàn)頂點(diǎn)定位，計(jì)算機(jī)根據(jù)此值控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)根據(jù)補(bǔ)償偏差值移動(dòng)2維平臺(tái)實(shí)現(xiàn)在圓周上加工點(diǎn)定位。半球薄膜刻蝕定位表明，定位得到的頂點(diǎn)與真正半球頂點(diǎn)在半球底面的正投影的相對誤差約為0.39%;理論旋轉(zhuǎn)角度與定位半圓周上的加工點(diǎn)和定位的頂點(diǎn)與球心連線的夾角相對誤差為3.9%。表明這種定位方法可以較好地定位半圓周上加工點(diǎn)與半球型工件的頂點(diǎn)，因此，激光刻蝕機(jī)在半球工件上具有較小的定位偏差，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的刻蝕薄膜電阻，形成較理想的薄膜電阻圖形。

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