微球探針制備工藝的優化*

許　斌， 唐海容， 趙世平， 陽　紅

(1.四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065；2.中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621999)

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微球探針制備工藝的優化*

許斌1， 唐海容1， 趙世平1， 陽紅2

(1.四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065；2.中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621999)

為了解決現有激光微球探針加工技術中存在的探針尖端微球球心偏離針桿中軸線的問題，提出了一個兩步法加工策略。以CO2激光光束為熱源，對探針針桿尖端進行加熱，使針桿尖端受熱融化產生微球。然后將帶有微球的探針針桿繞其中軸線旋轉180°，再使用CO2激光光束輻照帶有微球的探針尖端，對尖端微球偏移量進行補償。實驗結果表明：采用“熔球—旋轉再熔球”的兩步法加工策略，能明顯降低探針尖端微球相對于針桿的彎曲程度，縮小探針尖端球形球心和針桿中心線的偏移距離。

CO2激光； 微探針； 微球尖端； 中心偏移

0　引　言

由于測量微型工件的需求，超精密的3D表面測量技術一直是研究的熱點[1，2]。設計和制造微型接觸探針是實現準確測量微納尺度的3D幾何量的一個非常關鍵的因素。但是，目前的微探針的制備操作流程十分復雜耗時。為了解決加工材料的限制和加工周期過長的問題，Sheu D Y[2，3]提出了一種基于單脈沖放電和表面張力作用的加工手段。Fan K C[5]、趙健[5]、余慧娟[6]等人利用商用光纖電弧熔接機的清潔功能制得了3D微探針。Fan K C[4，7]探究了包含電弧能量、清潔電弧能量偏量、清潔時間，以及探針尖端球形球心和光纖中心線的偏移距離的補償等因素的最佳制造策略。Wang Z W[8]，Ji H[9]，李勇等人[10]根據放電電弧加工原理研制了加工設備用于球形探針加工。

激光加工具有加工速度快，無污染，光束易于整形適宜進行微小區域加工等特點，可對高硬度、高脆性材料加工，被廣泛應用于微納制造領域[11，12]。利用激光微細加工技術，本課題組已研制了一種微球探針激光快速加工成形系統用于制備微球探針[13]。但是，實驗發現在加工直徑小于200 μm的探針尖端微球時，制得的探針尖端微球有彎曲變形的現象，尖端微球心明顯偏離針桿中軸線，且偏向激光入射方向。通過改變激光加工系統的脈沖寬度調制(PWM)信號頻率、占空比、激光作用時間三個參數進行多次試驗，發現仍然存在尖端微球球心偏向激光入射方向的現象。

為了減小探針尖端微球球心偏離針桿中軸線的距離，本文提出了一種“熔球—旋轉再熔球”的兩步法加工策略，并在現有的探針尖端微球成形實驗裝置上進行了上述兩步法加工實驗。

1　微球探針制備方法

實驗采用的“熔球—旋轉再熔球”兩步法加工過程如圖1所示，第一步，以CO2激光光束為熱源，對探針針桿尖端進行加熱，使針桿尖端受熱熔化形成微球。第二步，先將第一步加工制得的尖端帶有微球的探針針桿繞其中軸線旋轉180°，然后再使用CO2激光光束輻照帶有微球的探針尖端，對第一步制得的尖端微球偏移量進行補償。

圖1　兩步法制備探針尖端微球過程的示意圖Fig 1　Diagram of two-step method for fabricating microspheres tips

2　制備實驗

實驗使用30 W的CO2激光器作為微探針尖端加工光源，使用焦距為50.8 mm的ZnSn透鏡對光束進行聚焦。實驗前，先用棉花蘸取取工業酒精擦拭針桿去除針桿表面雜質，然后將針桿尖端豎直向下裝載并固定。通過設置激光控制信號的頻率、占空比來調節激光功率，同時設置激光輸出時間來調節激光加工時間，可實現探針尖端微球的快速成形。

本實驗中按表1設置A,B,C三組加工參數，進行大量的探針尖端微球制備實驗，并使用掃描電子顯微鏡對各組中成形較好的微球探針進行觀測。

表1　探針尖端微球的加工參數

3　實驗結果

針桿尖端吸收CO2激光能量后迅速軟化，由于表面張力的作用針桿尖端軟化部分開始逐漸形成一個球形尖端。A組制得的探針尖端微球相對于針桿彎曲，探針尖端微球偏向激光入射方向。在B組、C組第二步加工時，能明顯地觀察到，隨著時間的推移，探針尖端微球再次逐漸向激光入射的方向偏移，致使探針尖端微球相對于針桿中軸線彎曲的程度逐漸降低。

圖2為由A，B，C三組加工參數制得的微球探針。使用像素法對SEM照片進行圖像測量，測量結果如表2所示。

圖2　使用表1加工參數制得的微球尖端Fig 2　Microsphere tips prepared using processing parameters in tab 1

組號標尺像素個數/pixels長度/μm微球半徑像素個數/pixels長度/μm微球偏心距像素個數/pixels長度/μmA25950178.0034.369818.92B125950174.5033.68265.02B225950179.7534.70254.83C25950289.2555.845410.42

從表2的數據可以看出:A組、B組制得的探針尖端微球半徑尺寸差距不大，但采用兩步法加工的B組制得的探針尖端微球的偏心距明顯小于采用單步法加工的A組制得的探針尖端微球的偏心距。該結果表明，采用“熔球—旋轉再熔球”的兩步法加工策略，能明顯減小單步法制備的探針尖端微球球心偏離針桿中軸線的距離，降低探針尖端微球的形位誤差。

與此同時，同樣采用兩步法加工策略的C組制得的探針尖端微球半徑尺寸明顯大于B組制得的探針尖端微球半徑尺寸。C組制得的探針尖端微球的偏心距也明顯大于B組制得的探針尖端微球的偏心距，但仍然遠小于A組制得的探針尖端微球的偏心距。因此，結合實驗現象和表2的實驗結果數據可知：采用兩步法制備探針尖端微球時，第二步中激光的作用時間會明顯影響探針尖端微球的形位誤差。隨著激光作用時間的加長，探針尖端微球出現半徑尺寸增大的趨勢。當激光作用時間過長時，探針尖端微球會因為過補償而再次出現尖端微球球心偏離針桿中軸線且偏向激光入射方向的現象

4　結　論

提出了一個降低微探針尖端球形偏心程度的加工策略，即“熔球—旋轉再熔球”兩步法加工策略。該加工操作分為兩步，第一步，以CO2激光光束為熱源，直接加熱針桿尖端，在針桿尖端加工出微球。第二步，先將第一步加工制得的尖端帶有微球的針桿繞其中軸線旋轉180°，然后再使用CO2激光光束輻照帶有微球的探針尖端，對第一步制得的尖端微球偏移量進行補償。實驗結果表明：采用“熔球—旋轉再熔球”的兩步法加工策略，能明顯降低探針尖端微球相對于針桿的彎曲程度，縮小探針尖端球形球心和針桿中心線的偏移距離。

兩步法加工時，第二步的激光作用時間不宜過長，否則，不僅探針尖端微球半徑尺寸會明顯增大，而且探針尖端微球球心會因為過補償而越過針桿中軸線位置，再次出現尖端球形球心明顯偏向激光入射方向的現象，因此，這個偏移距離是很難完全消除的。為了補償第一步加工的尖端彎曲，第二步的加工參數就必須依據偏移情況進行調整，以最大限度的補償尖端偏移。

[1]Weckenmann A,Peggs G,Hoffmann J.Probing systems for dimensional micro and nano-metrology[J].Measurement Science and Technology，2006，17(3):504-509.

[2]Sheu D Y.Manufacturing tactile spherical stylus tips by combination process of micro electro chemical and one-pulse electro discharge technology[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2014，74(5-8):741-747.

[3]Sheu D Y.Study on an evaluation method of micro CMM spherical stylus tips by μ-EDM on-machine measurement[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2010，20(7):075003.

[4]Fan K C，Hsu H Y，Hung P Y，et al.Experimental study of fabricating a microball tip on an optical fibre[J].Journal of Optics A:Pure and Applied Optics，2006，8(9):782-787.

[5]Zhao J，Huang Q X，Huang S.The fabrication and inspection of a microball made of optical fibre for micro-nano coordinating mea-suring machine[J].Advanced Materials Research，2012，472-475:2397-2400.

[6]Yu H J，Huang Q X，Zhao J.Fabrication of an optical fiber micro-sphere with a diameter of several tens of micrometers[J].Mate-rials，2014，7(7):4878-4895.

[7]Fan K C，Wang W，Chiou H S.Fabrication optimization of a micro-spherical fiber probe with the Taguchi method[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2008，18(1):8.

[8]Wang Z W，Fan K C，Li R J，et al.Experimental study on fabricating micro monolithic tungsten probing ball for micro-CMM[C]∥Proceedings of SPIE,The International Society for Optical Engineering，2013:87594W.

[9]Ji H，Chua J，Hsu H Y，et al.Development of a fabrication process for the manufacturing of a microspherical probe for coordinate measuring machine applications[J].Journal of Mechanical Design，2011，133(11):111003.

[10] 李勇，田旭輝，董珊珊,等.光纖探頭燒結電路設計[J].低溫與超導，2013(7):81-83.

[11] 鄔泳，傅星，周志遠，等.應用于短脈沖激光加工的自動調焦系統[J].傳感器與微系統，2010，29(5):105-108.

[12] 曹明翠.激光熱加工[M].武漢:華中理工大學出版社，1995.

[13] 唐海容，許斌，趙世平.微球探針激光快速加工成形系統設計[J].傳感器與微系統，2016,35(6)：62-63.

Optimization of preparation technology of micro-spherical probes*

XU Bin1, TANG Hai-rong1, ZHAO Shi-ping1, YANG Hong2

(1.School of Manufacturing Science and Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.Institute of Mechanical Manufacturing Technology，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China)

In laser processing of fabricating microsphere probe，microsphere center of probe tip deviated from axis of probe shaft，and probe tip biased obviously toward direction of incident laser.In order to solve this problem，propose a two-step processing strategy for fabricating microsphere probe.CO2laser beam is used as heat source to heat tip of probe shaft，so that shaft tip is heated to melt to produce a micro sphere.Probe shaft with a microsphere is rotated 180° around the axis，and the tip of the probe tip is irradiated with CO2laser beam to compensate the offset of the tip.Experimental results show that the method can significantly reduce bend of the microsphere tip relative to the shaft，and reduce the offset distance between tip spherical center and the center line of the shaft.

CO2laser; micro probe; microsphere tip; center offset

2016—05—18

國家自然科學基金資助項目(51405314)；中國工程物理研究院超精密加工技術重點實驗室開放基金資助項目(KF15004)；中央高校基本科研業務費資助項目(2015SCU04A12)

TH 711

A

1000—9787(2016)08—0077—03

許斌(1983-)，男，四川南部人，博士，副教授，主要研究方向為傳感器技術、精密檢測技術、精密加工技術。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0077—03