CN101398315A - 柱面变栅距光栅的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在柱面上反射式变栅距光栅的制作，解决了现有绝对式角度位移传感器中柱面变栅距光栅的制作难题。具体制作方法：在光学玻璃基底上涂光刻胶，用全息法在光刻胶上制得变栅距光栅图形；用溅射法在浮雕结构变栅距光栅图形上镀铬和镀金，再电镀镍得到金属镍变栅距光栅，用丙酮溶液溶解掉光刻胶层，再镀铝得到金属镍变栅距光栅基片，最后将金属镍变栅距光栅基底弯曲粘附在圆柱面上，固化后得圆柱面变栅距光栅。本发明方法不要求很高的机械加工精度来抛光金属基底，柱面变栅距金属光栅的表面精度是由光刻胶光栅表面精度复制而得，所以能实现纳米级的表面精度。制造成本低，光栅效率更高。

Description

柱面变栅距光栅的制备方法
技术领域
本发明涉及一种抗电磁干扰的绝对式角度传感器领域，具体涉及一种直接计数式变栅距单光栅结构的角位移传感器中柱面变栅距光栅的制作方法。
背景技术
在上个世纪末，由美国等西方发达国家首先提出几种光传系统先进部件研究计划，一些大公司分别开发了几种不同原理的光学位移传感器，有些在实验室得到验证，有些已经通过试飞实验。直接计数式变栅距单光栅结构的角位移传感器也是一种全光式角位移传感器。这种传感器也可以用在工业生产中电磁场较强的场所，能代替现有容易受电磁信号干扰电磁式位移传感器，在环境较为恶劣的场所使用，所以具有很宽的应用前景。
就目前已有的文献：
以变栅距光栅为基础的光栅传感器和控制方法(Optical gratingsensor and method of monitoring with a multi-period grating patentnumber：4985624)给出了这种传感器的工作原理，但是没有提到其中柱面变栅距光栅的制作材料和方法，国内还没有关于柱面变栅距光栅制作的研究。由于传感器的应用中要求圆柱面上的光栅面形比较理想和圆度要求较高，给实际的传感器的制作带来不可解决的难题。
变栅距光栅角度传感器的工作原理：
见图7，柱面变栅距光栅的周期与角度对应位移关系式如式(1)，宽光谱的白光7通过Y型光纤6中的一根光纤入射到柱面变栅距光栅4后，由自准直角衍射回来的光通过Y型光纤6中的另一根光纤回到光谱仪8中，由自准直衍射光的波长与变栅距光栅周期的关系式(2)知：由光谱仪测量得到的波长值能够计算出变栅距光栅的周期，再通过式(1)能够得到角位移与波长的关系式，即关系式(3)，数据处理系统9通过由光谱仪8采集的波长值计算出传感器中的角度位移。
Figure A200810196752D00051
Figure A200810196752D00053
存在问题：目前国内还无法直接在圆柱面上刻划变栅距光栅。通过在很薄的基片上制作光栅后，再将基片弯曲粘到圆柱面上的方法，形成柱面变栅距光栅。如果使用常用的聚酰亚胺作为材料，通过全息法得到光栅后，镀反射膜得到反射光栅，为了弯曲方便需要厚度较薄的聚酰亚胺基底，但是由于材质的选择使得在聚酰亚胺基底上涂胶困难，而且将该材料弯曲后表面容易产生褶皱，影响实际的使用，同时聚酰亚胺薄膜不能满足传感器的使用环境要求。使用其他方法，如机械加工很薄的金属薄片作为基底，用全息法在其上制作变栅距光栅，由于机械加工的金属表面很难达到光学级别的精度，造成全息法制作的光栅质量较差，同时表面粗造度会造成实际的光栅表面散射现象严重，影响光栅的使用，使传感器的信号提取难度增加。
发明内容
为了解决上述现有制作弯曲的变栅距光栅存在的问题，本发明提供一种适用于直接计数式变栅距单光栅结构的角位移传感器中柱面变栅距光栅的制备方法。
本发明的操作步骤如下：
柱面变栅距光栅的制备方法包括以下操作步骤：
第1步、用全息法制作光刻胶光栅图形；
在平面玻璃基底上涂300nm-1200nm厚度的光刻胶层，通过曝光、显影、烘干全息法光栅制作步骤得到平面的光刻胶变栅距光栅浮雕图形；
第2步、镀铬膜和金膜
在平面的光刻胶变栅距光栅浮雕图形上用溅射镀膜法镀8-12nm厚度的铬膜，然后镀16-20nm厚度的金膜，得到电镀镍的种子层；
第3步、电镀镍
在电镀镍的种子层上电镀镍，电镀镍厚度为50-100μm，得到具有金属镍变栅距光栅的电镀基片；
第4步、分离金属镀层
将有金属镍变栅距光栅的电镀基片放入丙酮内，约2-3小时。溶解掉光刻胶层，使金属镍变栅距光栅与平面玻璃基底分离；
第5步、镀铝
用热蒸发镀膜机在金属镍变栅距光栅的变栅距光栅图形面上镀铝，镀铝厚度约120nm-150nm，得平面金属镍变栅距光栅基片；
第6步、平面金属镍变栅距光栅基片弯曲成柱面变栅距光栅
用胶粘剂将平面金属镍变栅距光栅基片粘贴到柱体的柱面上，且变栅距光栅图形面向外，固化后得柱面变栅距光栅。
所述玻璃基底为光学玻璃基底。
所述电镀镍的工艺条件是：在开始电镀一小时内电流密度为5mA/cm2，然后将电流密度调节到10mA/cm2，电镀时间为5小时-8小时。
所述电镀镍所用电镀溶液的成份：氨基磺酸镍330g/L，氯化镍40g/L，硼酸50g/L。
所述电镀镍厚度均匀，厚度差小于5μm。
本发明的有益技术效果是，不要求很高的机械加工精度来抛光金属基底，通过现有的光学加工手段，K9玻璃基底表面精度很容易达到纳米级，由全息法能制作表面粗糙度很好的变栅距光栅。柱面变栅距金属光栅的表面精度是由光刻胶光栅表面精度复制而得，所以能实现纳米级的表面精度。相比直接在很薄的金属基底上做光栅或机械刻划变栅距光栅，成本低，光栅效率更高。解决了传感器中柱面变栅距光栅的制作难题。
附图说明
图1为本发明工艺流程图，
图2在光学玻璃基底上涂光刻胶，
图3全息法在光刻胶上制得平面变栅距浮雕光栅，
图4电镀得到具有金属镍变栅距光栅的电镀基片，
图5剥离取得金属镍变栅距光栅基片，
图6金属镍变栅距光栅基片粘贴到柱体的外柱面上，
图7变栅距光栅角度传感器工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1：
柱面变栅距光栅的制备方法包括以下操作步骤，见图1；
用旋转涂胶法在具有纳米级精度表面的K9玻璃基底1上涂厚度400nm光刻胶2，见图2；在设计好的变栅距光栅成像光路上曝光，通过显影，烘干等一系列全息制作光栅的步骤在光刻胶上得到平面的光刻胶变栅距光栅浮雕图形3，要保证光刻胶具有一定的厚度，使光栅的槽形结构不接触K9基底，见图3，光栅全长为100mm，光栅线密度变化范围：800line/mm-1400line/mm。
使用离子束溅射镀膜机在平面的光刻胶变栅距光栅浮雕图形3镀上厚度10nm的铬(Cr)膜，然后镀厚度20nm的金膜，作为电镀镍(Ni)的种子层。
使用现有的电镀镍(Ni)的方法在电镀镍(Ni)的种子层上电镀镍(Ni)(电镀溶液的成份：氨基磺酸镍330g/L，氯化镍40g/L，硼酸50g/L)，为得到较好的光栅图形，在开始电镀一小时内电流密度较小约5mA/cm2，然后将电流密度调节到10mA/cm2左右，电镀时间为5小时-8小时，电镀金属镍(Ni)的厚度在80μm。电镀厚度要均匀，厚度差保证在5μm之内，见图4，得到具有金属镍变栅距光栅的电镀基片4。
将具有金属镍变栅距光栅的电镀基片4放在丙酮内，使平面的光刻胶变栅距光栅浮雕图形3溶解，使金属镍变栅距光栅与K9玻璃基底1分离，见图5。
清洗金属镍变栅距光栅，再用热蒸发镀膜机在金属镍变栅距光栅的变栅距光栅图形面上镀铝，镀铝厚度150nm，即得到平面金属镍变栅距光栅基片，镀铝可提高光栅的衍射效率。
将镀铝后的平面金属镍变栅距光栅基片的光栅面向外弯曲后，用双组份胶粘剂DG-4粘在半径为20mm的圆柱面上，固化后得圆柱面变栅距光栅，见图6。
实施例2：
在K9基片上涂厚度300nm光刻胶层，
全息法制作变栅距光栅，
离子束溅射镀厚度8nm铬膜和厚度16nm金膜，
电镀镍(Ni)50μm，
将镍金属光栅溅射镀120nm厚度的铝增强光栅的衍射效率，
其它同实施例1。
实施例3：
在K9基片上涂厚度1200nm光刻胶，
全息法制作变栅距光栅，
离子束溅射镀厚度9nm铬膜和厚度18nm金膜，
电镀镍(Ni)100μm，
将镍金属光栅溅射镀140nm厚度的铝增强光栅的衍射效率，
其它同实施例1。

Claims (5)

1、柱面变栅距光栅的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：
第1步、用全息法制作光刻胶光栅图形；
在平面玻璃基底上涂300nm-1200nm厚度的光刻胶层，通过曝光、显影、烘干全息法光栅制作步骤得到平面的光刻胶变栅距光栅浮雕图形；
第2步、镀铬膜和金膜
在平面的光刻胶变栅距光栅浮雕图形上用溅射镀膜法镀8-12nm厚度的铬膜，然后镀16-20nm厚度的金膜，得到电镀镍的种子层；
第3步、电镀镍
在电镀镍的种子层上电镀镍，电镀镍厚度为50-100μm，得到具有金属镍变栅距光栅的电镀基片；
第4步、分离金属镀层
将有金属镍变栅距光栅的电镀基片放入丙酮内，约2-3小时。溶解掉光刻胶层，使金属镍变栅距光栅与平面玻璃基底分离；
第5步、镀铝
用热蒸发镀膜机在金属镍变栅距光栅的变栅距光栅图形面上镀铝，镀铝厚度约120nm-150nm，得平面金属镍变栅距光栅基片；
第6步、平面金属镍变栅距光栅基片弯曲成柱面变栅距光栅
用胶粘剂将平面金属镍变栅距光栅基片粘贴到柱体的柱面上，且变栅距光栅图形面向外，固化后得柱面变栅距光栅。
2、根据权利要求1所述的柱面变栅距光栅的制备方法，其特征在于：所述玻璃基底为光学玻璃基底。
3、根据权利要求1所述的柱面变栅距光栅的制备方法，其特征在于：所述电镀镍的工艺条件是：在开始电镀一小时内电流密度为5mA/cm2，然后将电流密度调节到10mA/cm2，电镀时间为5小时-8小时。
4、根据权利要求1所述的柱面变栅距光栅的制备方法，其特征在于：所述电镀镍所用电镀溶液的成份：氨基磺酸镍330g/L，氯化镍40g/L，硼酸50g/L。
5、根据权利要求1所述的柱面变栅距光栅的制备方法，其特征在于：所述电镀镍厚度均匀，厚度差小于5μm。
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