CN103075954B - 一种曲面结构电场式时栅角位移传感器微纳制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及曲面结构电场式时栅角位移传感器的制造方法，具体为一种曲面结构电场式时栅角位移传感器微纳制造方法，包括测头基体制造方法和定尺基体制造方法，本发明采用微纳工艺制造曲面结构电场式时栅角位移传感器，解决了现有曲面结构电场式时栅角位移传感器传统加工过程中制造精度低、特殊结构图形转移易失真等技术难题。该方法可以提高加工过程中的制造精度，实现利用微纳制造方法来加工大尺寸曲面结构器件，利用该方法制造的曲面结构电场式时栅角位移传感器具有精度高、测量范围大、分辨率高、可靠性好、成本低等特点。
Description
技术领域
本发明涉及曲面结构电场式时栅角位移传感器的制造方法，具体为一种曲面结构电场式时栅角位移传感器微纳制造方法。
背景技术
时栅角位移传感器是一种基于“时间测量空间”原理来实现精密角位移测量的新型智能传感器，成功应用于军事、精密测量、机械加工等领域，是纳米数控机床、极大规模集成电路专用设备以及国防军工特殊需求等超精密高端制造装备的关键功能部件，直接决定和影响着主机的性能。时栅角位移传感器作为高精度角位移测量器件得到日益广泛关注，凭借其生产成本低、结构简单耐用、智能化程度高等显著优点，占有广阔的应用市场。
曲面结构电场式时栅角位移传感器是一种基于交变电场的时栅角位移传感器，包括两端开口的筒状测头基体和圆柱状的定尺基体，测头基体内表面在同一水平线上覆有左、右两个轮廓为半正弦形电极，两个电极的波峰相向，定尺基体的柱面覆有左、右两排环形电极，左、右环形电极由均匀间隔环固在定尺基体的柱面的块状电极构成，且左、右两排环形电极的起始位置相差1/2个块状电极宽度，同一环形电极上间隔的块状电极连成一组；测头基体和定尺基体分别固定在相对旋转的装置上，定尺基体插入测头基体中，且定尺基体的轴线和测头基体的轴线重合，然后测头基体与定尺基体和激励电路、比相电路等连接，将它们封装固定，形成曲面结构电场式时栅角位移传感器。
曲面结构电场式时栅角位移传感器中测头基体和定尺基体一般采用传统的机械加工制造，传统的机械加工会带来制作精度偏低、特殊结构图形转移易失真（图形结构改变或结构边缘出现毛刺）等问题。
发明内容
本发明为了解决曲面结构电场式时栅角位移传感器采用传统制造带来的精度低、特殊结构图形转移易失真的问题，提供了一种曲面结构电场式时栅角位移传感器微纳制造方法。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种曲面结构电场式时栅角位移传感器微纳制造方法，包括测头基体制造方法和定尺基体制造方法，其中测头基体制造方法包括以下步骤：
选取以绝缘体为材料的两个半筒状曲面体；
将两曲面体按照工业标准湿法清洗工艺进行清洗；
在其中一个曲面体的内表面通过磁控溅射工艺沉积电极层，电极层厚度为600~800nm，电极层的材料为Al、Ag、Au、Pt；
制备其上有测头基体电极形状和电极接线图案的第一光刻掩膜板，其次在曲面体的电极层表面利用匀胶机旋涂光刻胶，然后进行前烘，匀胶机的甩胶速度为2000~2500r/min，前烘温度为80~100℃，前烘时间为5~10min；
用光刻装置和遮挡板在曲面体上曝光出测头基体电极形状：所述光刻装置包括光刻机、步进电机、控制器、驱动器、垂直移动平台和电源，电源分别和步进电机、控制器和驱动器连接，控制器和驱动器都与步进电机连接，步进电机的输出轴通过连接杆和沉积有电极层的曲面体连接，第一光刻掩膜板固定在垂直移动平台上，曝光前，调整好第一光刻掩膜板相对于曲面体内表面的高度，遮挡板遮盖在第一光刻掩膜板的图案上，且在水平方向上留下条状的要曝光区域，调整曲面体的位置，使得条状的要曝光区域和曲面体上的对应曝光区域平行，紫外光通过透光区域照射在曲面体上，这个区域曝光完成后，遮挡板移动，在第一光刻掩膜板上增加条状的要曝光区域，同时控制器控制步进电机转动一定角度，使得增加的要曝光区域和曲面体上对应的曝光区域平行，紫外光通过透光区域照射在曲面体上，这个区域曝光完成后，遮挡板移动，在第一光刻掩膜板上增加条状的要曝光区域，同时控制器控制步进电机转动一定角度，使得增加的要曝光区域和曲面体上对应的曝光区域平行，紫外光通过透光区域照射在曲面体上……,依次重复，直至完成测头基体电极的曝光；
将曝光后的曲面体浸泡在显影液中进行显影，显影的时间为50~80s；
显影后的曲面体进行坚膜，坚膜温度为100~140℃，坚膜时间为10~15min；
坚膜后的曲面体以光刻胶为掩膜，在腐蚀液中进行湿法腐蚀，腐蚀出曲面体上的测头基体电极，腐蚀时间为10~15min；
清洗掉曲面体上测头基体电极表面上的光刻胶；
测头基体电极在氮气气氛下退火，退火温度为400~500℃，退火时间为10~15min；
将两个曲面体通过精密装配组装在一起，形成筒状的测头基体；
定尺基体制造方法包括以下步骤：
选取以绝缘体为材料的圆柱棒；
将圆柱棒按照工业标准湿法清洗工艺进行清洗；
在圆柱棒的柱面通过磁控溅射工艺沉积电极层，电极层厚度可为600~800nm；
制备其上有部分定尺基体电极形状和电极接线图案的第二光刻掩膜板，其次在圆柱棒的电极层表面利用匀胶机旋涂光刻胶，然后进行前烘，匀胶机的甩胶速度为2000~2500r/min，前烘温度为80~100℃，前烘时间为5~10min；
用光刻装置在圆柱棒柱面曝光出定尺基体电极形状：所述光刻装置包括光刻机、步进电机、控制器、驱动器、垂直移动平台和电源，电源分别和步进电机、控制器和驱动器连接，控制器和驱动器都与步进电机连接，步进电机的输出轴通过连接杆和圆柱棒连接，第二光刻掩膜板固定在垂直移动平台上，曝光前，调整好第二光刻掩膜板相对于圆柱棒柱面的高度，紫外光先照射圆柱棒柱面的一定区域，这个区域曝光完成后，控制器控制步进电机转动一定角度n1，曝光圆柱棒柱面的下一个区域，这个区域曝光完成后，控制器再控制步进电机转动一定角度n1，曝光圆柱棒表面的下一个区域，直至曝光出一组完整的块状电极，然后控制器控制步进电机转动另一个角度n2，进入下一组块状电极的曝光区域，控制器控制步进电机以角度n1带动圆柱棒逐渐曝光，直至这一组块状电极光刻完成，然后控制器控制步进电机转动另一个角度n2，进入下一组块状电极的曝光区域……，依次重复，直至完成定尺基体电极的曝光；
将曝光后的圆柱棒浸泡在显影液中进行显影，显影的时间为50~80s；
显影后的圆柱棒进行坚膜，坚膜温度为100~140℃，坚膜时间为10~15min；
坚膜后的圆柱棒以光刻胶为掩膜，在腐蚀液中进行湿法腐蚀，腐蚀出圆柱棒上的定尺基体电极，腐蚀时间为10~15min；
清洗掉圆柱棒电极表面上的光刻胶；
定尺基体电极在氮气气氛下退火，退火温度为400~500℃，退火时间为10~15min，形成定尺基体。
微纳制造方法是针对制造对象由宏观进入到微观的制造方法，它是在微/纳米加工技术和微电子技术的基础上发展起来的，可以实现高精度、高可靠性器件的制造。将微纳制造方法应用到曲面结构电场式时栅角位移传感器制造领域，可以实现时栅传感器在宏观尺度范围内的亚微米精度周期性单元一致性制造，解决时栅传感器传统制造过程中的制造精度偏低、特殊结构图形转移易失真等技术难题，为时栅传感器跨尺度制造与精度调控提供一种新的可靠技术途径；现有光刻装置只能在平面上实现光刻，本方法对现有的光刻装置也做出了改进，在现有光刻装置的基础上增加了步进电机和控制装置，利用了步进电机可控制转动角度的特点，使得光刻装置能够在曲面上实现光刻，且对步进电机的转动角度做出精细的控制，在制造测定基体过程中，还同时配合对光线的控制，使得光刻出的电极形状和掩膜板上的电极形状相同，在制造定尺基体过程中，先控制电机转轴转动角度n1，实现在光刻曲面上块状电极的规格一样，再控制电机转轴转动另一角度n2，完成其余组电极的光刻；同时对方法中的参数进行了优选，这些参数是研究人员通过多次的实践得出的，为此，研究人员付出了创造性的劳动。
本发明采用微纳工艺制造曲面结构电场式时栅角位移传感器，解决了现有曲面结构电场式时栅角位移传感器传统加工过程中制造精度低、特殊结构图形转移易失真等技术难题。该方法可以提高加工过程中的制造精度，实现利用微纳制造方法来加工曲面结构器件，利用该方法制造的曲面结构电场式时栅角位移传感器具有精度高、测量范围大、分辨率高、可靠性好、成本低等特点，适用于纳米级精度测量，在精密机械加工、超精密加工、纳米技术、航空、航天、国防等基础产业和高新科技领域有着重要的潜在应用价值。
附图说明
图1为曲面体的结构图。
图2为曲面体沉积电极层后的结构图。
图3为曲面体旋涂光刻胶后的结构图。
图4为曲面体曝光时的状态图。
图5为湿法腐蚀后的曲面体结构图。
图6为测头基体的结构图。
图7为圆柱棒的结构图。
图8为圆柱棒沉积电极层后的结构图。
图9为圆柱棒旋涂光刻胶后的结构图。
图10为圆柱棒曝光时的状态图。
图11为定尺基体的结构图。
图12为移动式曝光状态图。
图中：1-曲面体，2-圆柱棒，3-电极层，4-光刻胶，5-第一光刻掩膜板，6-紫外光，7-测头基体电极，8-第二光刻掩膜板，9-定尺基体电极，A-正在曝光区域，B-下一个曝光区域。
具体实施方式
一种曲面结构电场式时栅角位移传感器微纳制造方法，包括测头基体制造方法和定尺基体制造方法，其中测头基体制造方法包括以下步骤：
选取以绝缘体为材料的两个半筒状曲面体1；
将两曲面体1按照工业标准湿法清洗工艺进行清洗；
在其中一个曲面体1的内表面通过磁控溅射工艺沉积电极层3，电极层3厚度为600~800nm，电极层3的材料为Al、Ag、Au、Pt；
制备其上有测头基体电极形状和电极连线图案的第一光刻掩膜板5，其次在曲面体1的电极层3表面利用匀胶机旋涂光刻胶4，然后进行前烘，匀胶机的甩胶速度为2000~2500r/min，前烘温度为80~100℃，前烘时间为5~10min；
用光刻装置和遮挡板在曲面体1上曝光出测头基体电极形状：所述光刻装置包括光刻机、步进电机、控制器、驱动器、垂直移动平台和电源，电源分别和步进电机、控制器和驱动器连接，控制器和驱动器都与步进电机连接，步进电机的输出轴通过连接杆和沉积有电极层3的曲面体1连接，第一光刻掩膜板5固定在垂直移动平台上，曝光前，调整好第一光刻掩膜板5相对于曲面体内表面的高度，遮挡板遮盖在第一光刻掩膜板5的图案上，且在水平方向上留下条状的要曝光区域，调整曲面体1的位置，使得条状的要曝光区域和曲面体1上的对应曝光区域平行，紫外光6通过透光区域照射在曲面体1上，这个区域曝光完成后，遮挡板移动，在第一光刻掩膜板5上增加条状的要曝光区域，同时控制器控制步进电机转动一定角度，使得增加的要曝光区域和曲面体1上对应的曝光区域平行，紫外光6通过透光区域照射在曲面体1上，这个区域曝光完成后，遮挡板移动，在第一光刻掩膜板5上增加条状的要曝光区域，同时控制器控制步进电机转动一定角度，使得增加的要曝光区域和曲面体1上对应的曝光区域平行，紫外光6通过透光区域照射在曲面体1上……,依次重复，直至完成测头基体电极7的曝光；
将曝光后的曲面体1浸泡在显影液中进行显影，显影的时间为50~80s；
显影后的曲面体1进行坚膜，坚膜温度为100~140℃，坚膜时间为10~15min；
坚膜后的曲面体1以光刻胶为掩膜，在腐蚀液中进行湿法腐蚀，腐蚀出曲面体1上的测头基体电极7，腐蚀时间为10~15min；
清洗掉曲面体1上测头基体电极7表面上的光刻胶；
测头基体电极7在氮气气氛下退火，退火温度为400~500℃，退火时间为10~15min；
将两个曲面体1通过精密装配组装在一起，形成筒状的测头基体；
定尺基体制造方法包括以下步骤：
选取以绝缘体为材料的圆柱棒2；
将圆柱棒2按照工业标准湿法清洗工艺进行清洗；
在圆柱棒2的柱面通过磁控溅射工艺沉积电极层3，电极层3厚度可为600~800nm；
制备其上有部分定尺基体电极形状和电极接线图案的第二光刻掩膜板8，其次在圆柱棒2的电极层3表面利用匀胶机旋涂光刻胶4，然后进行前烘，匀胶机的甩胶速度为2000~2500r/min，前烘温度为80~100℃，前烘时间为5~10min；
用光刻装置在圆柱棒2柱面曝光出定尺基体电极形状：所述光刻装置包括光刻机、步进电机、控制器、驱动器、垂直移动平台和电源，电源分别和步进电机、控制器和驱动器连接，控制器和驱动器都与步进电机连接，步进电机的输出轴通过连接杆和圆柱棒2连接，第二光刻掩膜板8固定在垂直移动平台上，曝光前，调整好第二光刻掩膜板8相对于圆柱棒2柱面的高度，紫外光6先照射圆柱棒2柱面的一定区域，这个区域曝光完成后，控制器控制步进电机转动一定角度n1，曝光圆柱棒2柱面的下一个区域，这个区域曝光完成后，控制器再控制步进电机转动一定角度n1，曝光圆柱棒2表面的下一个区域，直至曝光出一组完整的块状电极，然后控制器控制步进电机转动另一个角度n2，进入下一组块状电极的曝光区域，控制器控制步进电机以角度n1带动圆柱棒2逐渐曝光，直至这一组块状电极光刻完成，然后控制器控制步进电机转动另一个角度n2，进入下一组块状电极的曝光区域……，依次重复，直至完成定尺基体电极9的曝光；
将曝光后的圆柱棒2浸泡在显影液中进行显影，显影的时间为50~80s；
显影后的圆柱棒2进行坚膜，坚膜温度为100~140℃，坚膜时间为10~15min；
坚膜后的圆柱棒2以光刻胶为掩膜，在腐蚀液中进行湿法腐蚀，腐蚀出圆柱棒上的定尺基体电极9，腐蚀时间为10~15min；
清洗掉圆柱棒2电极表面上的光刻胶；
定尺基体电极9在氮气气氛下退火，退火温度为400~500℃，退火时间为10~15min，形成定尺基体。
Claims (1)
1.一种曲面结构电场式时栅角位移传感器微纳制造方法，其特征在于包括测头基体制造方法和定尺基体制造方法，其中测头基体制造方法包括以下步骤：
选取以绝缘体为材料的两个半筒状曲面体（1）；
将两曲面体（1）按照工业标准湿法清洗工艺进行清洗；
在其中一个曲面体（1）的内表面通过磁控溅射工艺沉积电极层（3），电极层（3）厚度为600~800nm，电极层（3）的材料为Al、Ag、Au、Pt；
制备其上有测头基体电极形状和电极连线图案的第一光刻掩膜板（5），其次在曲面体（1）的电极层（3）表面利用匀胶机旋涂光刻胶（4），然后进行前烘，匀胶机的甩胶速度为2000~2500r/min，前烘温度为80~100℃，前烘时间为5~10min；
用光刻装置和遮挡板在曲面体（1）上曝光出测头基体电极形状：所述光刻装置包括光刻机、步进电机、控制器、驱动器、垂直移动平台和电源，电源分别和步进电机、控制器和驱动器连接，控制器和驱动器都与步进电机连接，步进电机的输出轴通过连接杆和沉积有电极层（3）的曲面体（1）连接，第一光刻掩膜板（5）固定在垂直移动平台上，曝光前，调整好第一光刻掩膜板（5）相对于曲面体内表面的高度，遮挡板遮盖在第一光刻掩膜板（5）的图案上，且在水平方向上留下条状的要曝光区域，调整曲面体（1）的位置，使得条状的要曝光区域和曲面体（1）上的对应曝光区域平行，紫外光（6）通过透光区域照射在曲面体（1）上，这个区域曝光完成后，遮挡板移动，在第一光刻掩膜板（5）上增加条状的要曝光区域，同时控制器控制步进电机转动一定角度，使得增加的要曝光区域和曲面体（1）上对应的曝光区域平行，紫外光（6）通过透光区域照射在曲面体（1）上，这个区域曝光完成后，遮挡板移动，在第一光刻掩膜板（5）上增加条状的要曝光区域，同时控制器控制步进电机转动一定角度，使得增加的要曝光区域和曲面体（1）上对应的曝光区域平行，紫外光（6）通过透光区域照射在曲面体（1）上……,依次重复，直至完成测头基体电极（7）的曝光；
将曝光后的曲面体（1）浸泡在显影液中进行显影，显影的时间为50~80s；
显影后的曲面体（1）进行坚膜，坚膜温度为100~140℃，坚膜时间为10~15min；
坚膜后的曲面体（1）以光刻胶为掩膜，在腐蚀液中进行湿法腐蚀，腐蚀出曲面体（1）上的测头基体电极（7），腐蚀时间为10~15min；
清洗掉曲面体（1）上测头基体电极（7）表面上的光刻胶；
测头基体电极（7）在氮气气氛下退火，退火温度为400~500℃，退火时间为10~15min；
将两个曲面体（1）通过精密装配组装在一起，形成筒状的测头基体；
定尺基体制造方法包括以下步骤：
选取以绝缘体为材料的圆柱棒（2）；
将圆柱棒（2）按照工业标准湿法清洗工艺进行清洗；
在圆柱棒（2）的柱面通过磁控溅射工艺沉积电极层（3），电极层（3）厚度为600~800nm；
制备其上有部分定尺基体电极形状和电极接线图案的第二光刻掩膜板（8），其次在圆柱棒（2）的电极层（3）表面利用匀胶机旋涂光刻胶（4），然后进行前烘，匀胶机的甩胶速度为2000~2500r/min，前烘温度为80~100℃，前烘时间为5~10min；
用光刻装置在圆柱棒（2）柱面曝光出定尺基体电极形状：所述光刻装置包括光刻机、步进电机、控制器、驱动器、垂直移动平台和电源，电源分别和步进电机、控制器和驱动器连接，控制器和驱动器都与步进电机连接，步进电机的输出轴通过连接杆和圆柱棒（2）连接，第二光刻掩膜板（8）固定在垂直移动平台上，曝光前，调整好第二光刻掩膜板（8）相对于圆柱棒（2）柱面的高度，紫外光（6）先照射圆柱棒（2）柱面的一定区域，这个区域曝光完成后，控制器控制步进电机转动一定角度n1，曝光圆柱棒（2）柱面的下一个区域，这个区域曝光完成后，控制器再控制步进电机转动一定角度n1，曝光圆柱棒（2）表面的下一个区域，直至曝光出一组完整的块状电极，然后控制器控制步进电机转动另一个角度n2，进入下一组块状电极的曝光区域，控制器控制步进电机以角度n1带动圆柱棒（2）逐渐曝光，直至这一组块状电极光刻完成，然后控制器控制步进电机转动另一个角度n2，进入下一组块状电极的曝光区域……，依次重复，直至完成定尺基体电极（9）的曝光；
将曝光后的圆柱棒（2）浸泡在显影液中进行显影，显影的时间为50~80s；
显影后的圆柱棒（2）进行坚膜，坚膜温度为100~140℃，坚膜时间为10~15min；
坚膜后的圆柱棒（2）以光刻胶为掩膜，在腐蚀液中进行湿法腐蚀，腐蚀出圆柱棒上的定尺基体电极（9），腐蚀时间为10~15min；
清洗掉圆柱棒（2）电极表面上的光刻胶；
定尺基体电极（9）在氮气气氛下退火，退火温度为400~500℃，退火时间为10~15min，形成定尺基体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |