CN103848393A - 一种用于静电诱导技术的超精密平行度调整与检测系统 - Google Patents

Abstract

一种用于静电场诱导技术的超精密平行度调整与检测系统属于超精密加工和检测领域，该系统包括：基片间距及平行度检测与调整机构和基片固定制动装置，通过对基片固定制动装置上升、下降及偏转的控制实现超精密平行度调整与检测。该系统通过基片间距及平行度检测与调整机构实时检测上、下基片之间的间距和平行度，并与外部输入条件进行比较、矩阵处理，产生控制信号，控制下基片的上、下移动或偏转，从而实现对上、下基片的间距和平行度的精确控制，从而实现了对静电场诱导过程中关键参数的精确控制。

Description

一种用于静电诱导技术的超精密平行度调整与检测系统

技术领域

本发明涉及一种超精密平行度调整与检测系统，其主要用于静电场诱导聚合物薄膜产生微纳结构的微纳加工和检测，属于超精密加工和检测领域。

背景技术

聚合物微结构图形化技术是微加工和微结构制造过程中的重要工艺。在聚合物上形成的周期性微结构可以应用于多种新型材料和微器件，如光栅、光子晶体、平板显示器(OLED、LCD等)、太阳能电池和磁存储介质等。静电诱导技术是近几年出现的一种新型非接触式聚合物微结构图形化技术。它使液化的聚合物薄膜在空间调制的强电场驱动下发生定向流动，产生微纳结构，固化后形成固定微结构，从而实现对母版微结构的复制和转移。本技术对带有微纳结构的导电上基片与涂有聚合物薄膜的导电下基片之间的间距和平行度有非常高的要求。若上、下基片之间的平行度太大，在上、下基片之间施加高电压会发生局部击穿，对上基片造成不可恢复的损坏。

静电场诱导技术的实验条件必须满足以下要求：1）在诱导开始，该聚合物薄膜需要处于液化状态，在诱导后期，该聚合物薄膜需要处于固化状态。2）上、下基片之间所需加的电场强度至少为1V/μm，使之产生的电场力足以克服表面张力、范德华力、自身重力等阻力而驱动聚合物薄膜定向流动；3）所需上、下基片之间的平行度越小越好，否则会因上、下基片间距不均匀而带来局部击穿，破坏上基片微结构；4）所需上、下基片之间的距离在微纳米量级。

为了控制上、下基片之间的间距和平行度，目前较为广泛的方法是采用磁控溅射方法或化学气相沉积技术在导电上基片表面制备支架，充当间隔器并通过在上、下基片之间施加一定的压力控制上、下基片之间的平行度。但是这些方法的实现过程复杂、耗时，不容易实现上、下基片很好的平行度。更重要的是在静电场诱导过程开始后无法实现对上、下基片的间距和平行度的实时检测和精确控制。

发明内容

本发明提供一种用于静电场诱导技术的超精密平行度调整与检测系统，用以解决现有技术中的缺陷，实现下基片聚合物薄膜的液化、固化，上、下两基片之间的强电场的安全施加，上、下两基片之间间距和平行度的精密检测与实时调节，实现了对静电场诱导过程中关键参数的精确控制。

一种用于静电场诱导技术的超精密平行度调整与检测系统，该系统包括：基片间距及平行度检测与调整机构和基片固定制动装置；所述基片间距及平行度检测与调整机构包括至少一个距离传感器、距离传感器前置放大器及A/D转换器、模块化压电陶瓷数字控制器和压电陶瓷；所述根据反馈的距离传感器信号经过距离传感器前置放大器及A/D转换器和模块化压电陶瓷数字控制器控制压电陶瓷的位移量，从而实现对基片固定制动装置上升、下降及偏转的控制。

本发明的有益效果：该系统为静电场诱导过程提供强电场、薄膜液化、固化条件。通过基片间距及平行度检测与调整机构实时检测上、下基片之间的间距和平行度，并与外部输入条件进行比较、矩阵处理，产生控制信号，控制下基片的上、下移动或偏转，从而实现对上、下基片的间距和平行度的精确控制，从而实现了对静电场诱导过程中关键参数的精确控制。

附图说明

图1为本发明用于静电场诱导技术的超精密平行度调整与检测系统实施方式原理示意图；

图2为本发明提供的基片间距及平行度检测与调整机构实施方式原理示意图；

图3为本发明基片间距及平行度检测及调整机构基片固定制动装置结构示意图；

图4为本发明下基片固定装置及微动平台的正面结构示意图；

图5为本发明上基片固定装置的正面结构示意图；

图6为本发明提供的基片电压施加方式示意图；

具体实施方式

图1所示为本发明用于静电场诱导技术的超精密平行度调整与检测系统实施方式原理示意图。该系统包括基片固定制动装置1、基片间距及平行度检测与调整机构2、液化固化系统3和基片电压施加装置4。基片固定制动装置1固定在四个高度可调的立柱上，通过调节四个立柱高度使平台表面与地面的平行度为0。另外，基片固定制动装置1中的减震平台16采用铁磁不锈钢表面，蜂窝状支撑内芯的结构，固体复合阻尼材料，抗振性能优良，为整个系统的高精度提供了良好的外部条件。

如图2所示，它是图1所示基片间距及平行度检测与调整机构2实施方式原理示意图。该机构包括电容传感器21、电容传感器前置放大器及A/D转换器22、模块化压电陶瓷数字控制器23、和电脑控制端24。该基片间距及平行度检测与调整机构内部布置三个耐高温电容传感器21，测量上、下基片距离信号，通过电缆将测量信号传输给电容传感器前置放大器及A/D转换器22进行前期处理，再将处理信号传输给模块化压电陶瓷数字控制器23，经过运算处理和矩阵变换，通过电脑控制端24显示此时上、下基片之间的间距和平行度，从而实现了对上、下基片间距和平行度的检测和数字显示。与此同时通过电脑控制端24输入命令，经过模块化压电陶瓷数字控制器23的运算处理，产生控制信号，将此处理信号传输给基片间距及平行度检测与调整机构中的压电陶瓷25，完成对上、下基片间距和平行度的控制。

图3是基片间距及平行度检测与调整机构的基片固定制动装置1结构示意图。它包括底座11，上基片固定装置12，下基片固定装置及微动平台13，垫片14，上桥15和减震平台16。底座11固定在减震平台16上，保证整个制动部分在良好的外部环境下运作。上基片真空吸附在上基片固定装置12，下基片真空吸附在下基片固定装置及微动平台13。上基片固定装置12通过螺钉与上桥15固定并与下基片固定装置及微动平台13相对，避免了上、下基片在静电诱导过程中的漂移，与过去直接在上基片施加压力固定上、下基片的方式相比，避免了因压力分布不均匀而导致上基片的形变及上、下基片之间的击穿等现象。根据上基片的厚度不同，在上基片固定装置12与上桥15之间适当添减合适的垫片14，使上、下基片的距离在电容器感应距离之内。下基片固定装置及微动平台13用来固定、带动下基片的上、下移动与偏转。

图4是图3所示下基片固定装置及微动平台13的正面结构示意图。它包括外围13a,微动平台13b，下基片固定装置13c，下基片抽真空孔13e与真空泵相连，将下基片真空吸附在下基片固定装置13c，下基片的外周均匀布置三个耐高温电容传感器21，实时检测上、下基片之间的距离，通过电容器信号输出端13d将此信号传输给图2所示电容传感器前置放大器及A/D转换器22。电压控制信号输入端13f位于微动平台13b的一侧，由模块化压电陶瓷数字控制器23产生的电压控制信号经过电压控制信号输入端13f传输给微动平台13b。微动平台13b内置4个压电陶瓷25成二阶矩阵排列，由电压控制信号控制压电陶瓷25的伸缩继而控制微动平台13b及下基片的上升、下降及偏转。

图5是图3所示上基片固定装置12的正面结构示意图。它包括沉头螺纹孔12a，地线连接处12b,上基片抽真空孔12c。上基片抽真空孔12c外接真空泵（图未示）。地线连接处12b一端与上基片相连，另一端与与图2所示电容传感器前置放大器及A/D转换器22的地线相连。沉头螺纹孔12a通过螺钉与基片固定制动装置1中的上桥15固定。在本实施例中上基片的材料为玻璃基底，上基片直径为4inch，其下表面镀导电膜，基片半径向外2/3处开一直径为6mm小孔；下基片的材料为玻璃基底，下基片直径为3inch，厚度为1mm，公差为±0.01mm，上表面2/3半径处镀ITO膜，在不导电边缘有一连接导电膜并与上基片小孔位置对应的线路连接杆。

图6是图1所示基片电压施加装置4。在上基片41的下表层通过导线42与整个装置的外壳相连，装置外壳与高压电源的地线并与大地相连处43相连，在下基片44的上表层通过导电胶把导线与线路连接杆相连，导线穿过上基片41的小孔连接高压电源的正极。把上、下基片间的平行度调至0，根据基片之间的距离调节电压45的大小，完成对上、下基片之间强电场的施加，直流高压电源的电压可调范围在0—2000伏特。在电路保护方面，将一个大电阻与滑动变阻器与外接高压电源串联，即使出现短路，也能确保短路电流小于0.5mA,从而保证了整个系统的安全运行。

超精密平行度调整与检测系统还包括液化固化系统3，液化固化系统包括加热装置和紫外固化装置，加热装置和紫外固化装置位于下基片固定装置及微动平台13的背面。底座11与减震平台16的空心处，其主要目的是在下基片44的底部对涂覆在下基片的聚合物薄膜进行加热或紫外固化。若聚合物薄膜的玻璃化温度高于室温，该系统为其提供局部加热，加热装置位于底座11与减震平台16的空心处，直径为50mm的圆形加热片紧贴下基片44的背面，只对下基片44涂有聚合物薄膜的区域进行加热，通过温度传感器检测发热元件的温度，并将此信号输送至温度调节仪，温度调节仪根据设定温度和反馈温度的差值调节输出电流的大小，进而调节加热元件功率，实现温度的自动调节。根据聚合物薄膜的物理性质，要求加热装置能够加热至玻璃化温度以上。下基片44周围布散的耐高温电容器可保证在高温下工作，从而保证了系统的测量精度。在固化阶段，停止加热，使下基片44慢慢降至室温，下基片44上形成的聚合物微结构被固定下来。若聚合物薄膜玻璃化温度低于室温，在室温下，聚合物薄膜就处于液体状态，在固化阶段，该系统为其提供紫外固化条件，高压汞灯放在下基片44的背面，底座11与减震平台16的空心处，紫外光从底面照射下基片44上涂覆的聚合物薄膜，使聚合物达到分子交联、固化，从而起到微结构固定的效果。

Claims (8)

1.一种用于静电场诱导技术的超精密平行度调整与检测系统，其特征在于：该系统包括：基片间距及平行度检测与调整机构和基片固定制动装置；所述基片间距及平行度检测与调整机构包括至少一个距离传感器、距离传感器前置放大器及A/D转换器、模块化压电陶瓷数字控制器和压电陶瓷；所述根据反馈的距离传感器信号经过距离传感器前置放大器及A/D转换器和模块化压电陶瓷数字控制器控制压电陶瓷的位移量，从而实现对基片固定制动装置上升、下降及偏转的控制。

2.如权利要求1所述的用于静电场诱导技术的超精密平行度调整与检测系统，其特征在于所述距离传感器为电容传感器。

3.如权利要求1所述的用于静电场诱导技术的超精密平行度调整与检测系统，其特征在于：所述基片固定制动装置包括：减震平台、底座、下基片固定装置及微动平台和上基片固定装置；所述底座固定于所述减震平台上；所述上基片固定装置和下基片固定装置及微动平台固定在所述底座上并且相对。

4.如权利要求3所述的用于静电场诱导技术的超精密平行度调整与检测系统，其特征在于：所述下基片固定装置及微动平台和上基片固定装置设有基片抽真空孔，所述基片抽真空孔与真空泵相连，将基片分别真空吸附在下基片固定装置及微动平台和上基片固定装置。

5.如权利要求3所述的用于静电场诱导技术的超精密平行度调整与检测系统，其特征在于所述基片固定制动装置还包括上桥；所述上基片固定装置通过上桥固定在所述底座上。

6.如权利要求1或3所述的用于静电场诱导技术的超精密平行度调整与检测系统，其特征在于：所述超精密平行度调整与检测系统还包括液化固化系统，所述液化固化系统包括加热装置和紫外固化装置，所述加热装置和紫外固化装置位于所述下基片固定装置及微动平台的背面。

7.如权利要求1或3所述的用于静电场诱导技术的超精密平行度调整与检测系统，其特征在于：所述超精密平行度调整与检测系统还包括基片电压施加装置，电压施加装置中包括直流高压电源，所述直流高压电源的电压可调范围在0—2000伏特，所述上基片连接高电压零线并与整个系统外壳和大地相连，下基片连接至高压电源的正极。

8.如权利要求7所述的用于静电场诱导技术的超精密平行度调整与检测系统，其特征在于在所述电压施加装置的外接高压电路中串联大电阻和滑动变阻器。

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