CN105700295A - 凹球面基底胶体涂覆装置及涂覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种凹球面基底胶体涂覆装置及涂覆方法，其中涂覆装置包括：基台；载物台，设于基台上，所述载物台用于装载待喷涂凹球面基底，并可带动凹球面基底旋转，旋转中心轴与凹球面对称轴重合；可移动式光刻胶喷头，所述可移动式光刻胶喷头沿凹球面的半径喷射，所述可移动式光刻胶喷头可在凹球面内部移动以调整喷射角度，且喷涂距离不变，所述喷射角度为喷射方向与曲面对称轴之间的角度；加热单元，其加热面与凹球面基底的外表面相适配，对基底进行加热，加热单元置于所述载物台上。本发明可对半球凹曲面进行胶体涂覆，并且涂覆的胶层均匀性高。
Description
技术领域
本发明涉及曲面涂覆技术领域，尤其涉及一种凹球面基底胶体涂覆装置及涂覆方法。
背景技术
为了提高对抗和突防能力，具有良好的电磁屏蔽和隐身性能成为现代武器与装备的发展趋势。作为红外透过窗口的材料，需要在保证透过性能基础上实现电磁屏蔽或隐身功能，在红外材料表面制作微纳米级的金属网栅是可行的技术方案。其制作步骤通常包括：基底涂布光学胶－光刻(刻蚀)－镀膜－去胶等。其中，基底涂布光学胶是重要步骤之一，为保证金属线条的精度，要求基底表面涂布的光刻胶具有良好的均匀性。
传统的光刻胶涂布，多用于半导体行业，衬底为硅片，尺寸一般不超过8寸。方法主要有离心式旋涂法、喷涂法、滚涂法和提拉法。上述方法，一般针对平面衬底，且要求衬底具有良好的平整度。
与半导体行业需求不同，对于窗口材料而言，由于尺寸一般较大，且多为异性结构，传统的涂覆方法，此时难以满足要求。
本领域部分研究人员针对凹球面的涂覆，进行了相关研究。有人针对凹球面的涂胶，通过建立数理模型，分析了凹球面受力情况，通过离心式旋涂方式，在口径为45mm×40mm,曲率半径R为224.36mm的凹球面上进行了涂覆。但该曲面的拱高比很小，并且需要转速很大。因此，对于拱高比达到1：2的半球曲面，难以通过上述离心式实现半球凹曲面的涂覆。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种凹球面基底胶体涂覆装置及涂覆方法，主要目的是提供一种可适用于半球凹曲面的胶体涂覆装置及方法，并且涂覆的胶层均匀性高。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种凹球面基底胶体涂覆装置，包括：
基台；
载物台，设于基台上，所述载物台用于装载待喷涂凹球面基底，并可带动凹球面基底旋转，旋转中心轴与凹球面对称轴重合；
可移动式光刻胶喷头，所述可移动式光刻胶喷头沿凹球面的半径喷射，所述可移动式光刻胶喷头可在凹球面内部移动以调整喷射角度，且喷涂距离不变，所述喷射角度为喷射方向与曲面对称轴之间的角度；
加热单元，其加热面与凹球面基底的外表面相适配，对基底进行加热，所述加热单元置于所述载物台上。
作为优选，所述可移动式光刻胶喷头以凹球面的球心为旋转中心在垂直方向上转动，以调整喷射角度。
作为优选，所述基台上还设有喷头调节机构，所述可移动式光刻胶喷头设于喷头调节机构上，所述喷头调节机构调节可移动式光刻胶喷头的喷射方向及喷涂距离。
作为优选，所述喷头调节机构包括：
支撑体，设于基台上；
旋转中心轴，可转动设于支撑体上；
连接部，与旋转中心轴连接，并在旋转中心轴带动下转动；
所述可移动式光刻胶喷头设于连接部上，且可移动式光刻胶喷头3的喷射方向与旋转中心轴的轴线垂直。
作为优选，所述连接部包括与旋转中心轴连接的第一连接杆、与第一连接杆连接的第二连接杆和与第二连接杆连接的第三连接杆，其中第一连接杆与旋转中心轴交叉设置，第三连接杆与旋转中心轴垂直，可移动式光刻胶喷头设于第三连接杆上。
作为优选，还包括旋转角度显示机构，用于显示旋转中心轴旋转的角度。
作为优选，所述旋转角度显示机构包括角度刻度盘和指针，角度刻度盘和指针其中一个固定于支撑体上，另一个固定于旋转中心轴上，随旋转中心轴6一起转动，通过指针读出角度刻度盘上的角度刻度。
另一方面，本发明实施例提供了一种凹球面基底胶体涂覆方法，包括如下步骤：
确定喷涂过程中光刻胶喷头调整喷射角度的总次数m，确定光刻胶喷头每次调整的角度θ，θ＝α/m，所述喷射角度为喷射方向与凹球面的对称轴的夹角，所述每次调整的角度为喷射角度调整前后的差，a为凹球面球心至凹球面开口边缘的半径与凹球面对称轴之间的夹角；
对清洗干燥后的待喷涂凹球面基底加热；
自待喷涂凹球面的底部中心开始喷涂，然后沿底部中心向上调整喷射角度依次进行喷涂；喷涂过程中待喷涂凹球面基底以凹球面的对称轴为旋转轴进行旋转；光刻胶喷头沿凹球面的半径方向喷射并保持喷涂距离d不变；其中
喷涂凹球面底部中心时，基底以转速ω0转动y周，喷涂时间为T，其中，T由待喷涂胶体厚度确定，而ω0＝y2π/T，y为大于等于1的整数；
第一次调整喷射角度后进行喷涂，基底旋转的角速度为ω1＝(ω0sinθ)/sin(2θ),当凹球面转动y周后，停止喷涂；
第二次调整喷射角度后进行喷涂，基底旋转的角速度为ω2＝(ω0sinθ)/sin(3θ),当凹球面转动y周后，停止喷涂；
依次调整喷射角度进行喷涂，至喷头第m次调整喷射角度后，喷头移动至凹球面最高处，基底的角速度为ωm＝(ω0sinθ)/sin(mθ)，基底转动y周后，完成整个凹球面胶体的涂覆。
作为优选，所述凹球面为半球面，a＝90°。
作为优选，确定喷涂过程中光刻胶喷头调整喷射角度的总次数m的步骤如下：
获取固定光刻胶粘度、喷涂距离d和喷涂时间t下，胶层的厚度分布曲线：f0(x)(d,t)；
建立方程fn(x)，n≥1，fn(x)与f0(x)存在如下关系式：fn(x)(d,t)＝f0(x)(d,t)+np，其中，p为常数；
令F(x)＝f0(x)(d,t)+f1(x)(d,t)+f2(x)(d,t)+…+fn(x)(d,t)＝C，C为基底的凹球面上最终涂覆的胶层的厚度，计算得出p值；
光刻胶喷头调整喷射角度的总次数m＝L/P，L为待涂覆凹球面与过对称轴的切面相交的弧长的一半。
作为优选，对清洗干燥后的待喷涂凹球面基底加热时，所述基底的转速为2-5rpm。
作为优选，对清洗干燥后的待喷涂凹球面基底加热的温度为80℃-120℃，保温40分钟－60分钟，加热过程中基底以对称轴为旋转轴进行旋转。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明实施例提供的凹球面基底胶体涂覆装置及涂覆方法可实现对不同尺寸的凹球面进行涂覆，并且涂覆的胶层均匀性高。并且适用于大曲率凹球面的涂覆。
附图说明
图1为本发明实施例的凹球面基底胶体涂覆装置的示意图。
图2－图4为本发明实施例涂覆过程中喷射角度变化的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
图1为本发明实施例的凹球面基底胶体涂覆装置的示意图。图2－图4为本发明实施例涂覆过程中喷射角度变化的示意图。参见图1至图4，凹球面基底胶体涂覆装置，包括：
基台1；
载物台2，设于基台，载物台2用于装载待喷涂凹球面基底，并可带动凹球面基底旋转，旋转中心轴21与凹球面对称轴重合；
可移动式光刻胶喷头3，可移动式光刻胶喷头3沿凹球面的半径喷射，可移动式光刻胶喷头3可在凹球面内部移动以调整喷射角度β，且喷涂距离不变，喷射角度为喷射方向与曲面对称轴之间的角度；
加热单元4，其加热面与凹球面基底的外表面相适配，对基底进行加热，加热单元4置于载物台2上。
本发明实施例的胶体涂覆装置带动待涂覆凹球面基底旋转进行涂覆，并且不同喷射角度的喷涂距离固定不变。可对包括大曲率半径等不同尺寸的凹球曲面实现均匀性胶层的涂覆。适用于诸如拱高比高达1：2的半球曲面等较高拱高比的凹球面的涂覆。
本发明实施例中加热单元4具体的加热方式及加热组件等均可自现有技术中选取。一般采用电加热的方式。不同大小的基底匹配不同的加热单元4。载物台2及加热单元4的具体结构均可根据需要进行确定，只要满足其基本功能即可。如载物台2的顶部可以为一平台，加热单元4置于载物台2的顶部平台上，加热单元4只要具有与基底的外表面相适配的加热面，并且能方便快捷地与载物台2相配合，使载物台2带动加热单元4和基底一同转动。
作为上述实施例的优选，可移动式光刻胶喷头3以凹球面的球心为旋转中心在垂直方向上转动，以调整喷射角度。本实施例易于实现对喷涂距离及喷射角度的控制。
控制可移动式光刻胶喷头3调整喷射角度及喷涂距离具体方式可以从现有技术中任意选取。本发明实施例提供了一种优选方式。参见图1，可移动式光刻胶喷头3设于喷头调节机构上，喷头调节机构设于基台1上，通过喷头调节机构调节可移动式光刻胶喷头3的喷射方向及喷涂距离。
本实施例中的喷头调节机构包括：
支撑体5，设于基台1上；
旋转中心轴6，可转动设于支撑体5上；
连接部7，与旋转中心轴6连接，并在旋转中心轴带动下转动；
可移动式光刻胶喷头3设于连接部7上，且可移动式光刻胶喷头3的喷射方向与旋转中心轴6的轴线垂直。本实施例中的喷头调节机构通过转动旋转中心轴6即可带动可移动式光刻胶喷头3在垂直平面内转动，从而调整喷射角度。为了保证喷喷涂距离固定，调整旋转中心轴6的轴线过凹球面的球心，同时，当可移动式光刻胶喷头3的喷射方向垂直时与凹球面的对称轴重合，这样，无论旋转中心轴6带动可移动式光刻胶喷头3如何旋转，喷射方向均为凹球面的半径方向，且喷涂距离不会变化。当需要不同的喷涂距离时，只需调整可移动式光刻胶喷头3的喷口与旋转中心轴6的轴线的距离即可。可以通过将支撑体5设为可伸缩结构来调整旋转中心轴6的高度，以便与凹球面的球心的高度相一致，当然，也可采用旋转中心轴6与支撑体5之间为可调结构来实现旋转中心轴6的高度。如支撑体5上设置滑道，滑道上设置可沿滑道上下滑动的滑块，旋转中心轴6可转动设于滑块上，通过调整滑块的位置即可实现调整旋转中心轴6的高度。至于旋转中心轴6可转动连接的方式，可从现有技术中选取适当的方式。如借助轴承，轴承的内环套于旋转中心轴6上，轴承的外环与支撑体5或滑块固定即可。调节可移动式光刻胶喷头3的位置也可通过调整连接部7与旋转中心轴6的相对位置来实现。
作为上述实施例的优选，连接部7包括与旋转中心轴6连接的第一连接杆71、与第一连接杆71连接的第二连接杆72和与第二连接杆72连接的第三连接杆73，其中第一连接杆71与旋转中心轴6交叉设置，第三连接杆73与旋转中心轴6垂直，可移动式光刻胶喷头3设于第三连接杆73上。通过在旋转中心轴6的轴向或径向方向调整第一连接杆71即可调整可移动式光刻胶喷头3的位置，使其转动过程中保持沿凹球面半径方向喷射。当然，也可通过调整第三连接杆73的位置来实现对可移动式光刻胶喷头3的位置调整。
作为上述实施例的一种优选，本实施例的涂覆装置还包括旋转角度显示机构，用于显示旋转中心轴6旋转的角度。从而可以准确调整可移动式光刻胶喷头3的喷射角度。只要能够显示物体旋转角度的现有技术均可用于本发明实施例中。如可采用简单的机械式角度显示装置。本实施例中的旋转角度显示机构包括角度刻度盘和指针，角度刻度盘和指针其中一个固定于支撑体5上，另一个固定于旋转中心轴6上，随旋转中心轴6一起转动，通过指针读出角度刻度盘上的角度刻度。
另一方面，本发明实施例提供了一种凹球面基底胶体涂覆方法，本发明实施例的涂覆装置的工作过程可参考本发明实施例的涂覆方法，同时，理解本发明实施例的涂覆方法时，请参考上述实施例的涂覆装置。本发明实施例的凹球面基底胶体涂覆方法包括如下步骤：
确定喷涂过程中光刻胶喷头调整喷射角度的总次数m，确定光刻胶喷头每次调整的角度θ，θ＝α/m，所述喷射角度为喷射方向与凹球面的对称轴的夹角，所述每次调整的角度为喷射角度调整前后的差，a为凹球面球心至凹球面开口边缘的半径与凹球面对称轴之间的夹角；
对清洗干燥后的待喷涂凹球面基底加热；
自待喷涂凹球面的底部中心开始喷涂，然后沿底部中心向上调整喷射角度依次进行喷涂；喷涂过程中待喷涂凹球面基底以凹球面的对称轴为旋转轴进行旋转；光刻胶喷头沿凹球面的半径方向喷射并保持喷涂距离d不变；其中
喷涂凹球面底部中心时，基底以转速ω0转动y周，喷涂时间为T，其中，T由待喷涂胶体厚度确定，而ω0＝y2π/T，y为大于等于1的整数；
第一次调整喷射角度后进行喷涂，基底旋转的角速度为ω1＝(ω0sinθ)/sin(2θ),当基底转动y周后，停止喷涂；
第二次调整喷射角度后进行喷涂，基底旋转的角速度为ω2＝(ω0sinθ)/sin(3θ),当基底转动y周后，停止喷涂；
依次调整喷射角度进行喷涂，至喷头第m次调整喷射角度后，喷头移动至凹球面最高处，基底的角速度为ωm＝(ω0sinθ)/sin(mθ)，基底转动y周后，完成整个凹球面胶体的涂覆。
本发明实施例提供的涂覆方法中将喷涂过程分多步进行，每步之间按照设定的角度进行调整，从凹球面的底部中心开始逐步向上进行喷涂，同时调整相应的旋转速度，保证了涂覆效果。可以实现对各种尺寸尤其是大曲率半径的凹球面的涂覆。并且，可对较高拱高比的凹球面进行涂覆。如半球面。当待涂覆的凹球面为半球面时，a＝90°。本发明实施例中，每次喷涂的转动周数y可根据需要确定，常见规格的凹球面基底的喷涂，一般确定每次喷涂的转动周数y为1-5即可。通常每次喷涂转动一周即可。
作为上述实施例的优选，确定喷涂过程中光刻胶喷头调整喷射角度的总次数m的步骤如下：
获取固定光刻胶粘度、喷涂距离d和喷涂时间t下，胶层的厚度分布曲线：f0(x)(d,t)；
建立方程fn(x)，n≥1，fn(x)与f0(x)存在如下关系式：fn(x)(d,t)＝f0(x)(d,t)+np，其中，p为常数；
令F(x)＝f0(x)(d,t)+f1(x)(d,t)+f2(x)(d,t)+…+fn(x)(d,t)＝C，C为基底的凹球面上最终涂覆的胶层的厚度，计算得出p值；
光刻胶喷头调整喷射角度的总次数m＝L/P，L为待涂覆凹球面与过对称轴的切面相交的弧长的一半。
按照本实施例确定喷涂次数，可以获得较好的均匀性，避免厚度偏差太大。
作为上述实施例的优选，对清洗干燥后的待喷涂凹球面基底加热时，基底的转速为2-5rpm。保证了基底受热均匀，烘干效果好。
作为上述实施例的优选，对清洗干燥后的待喷涂凹球面基底加热的温度为80℃-120℃，保温40分钟－60分钟，加热过程中基底以对称轴为旋转轴进行旋转。
下面以现有技术难以涂覆的半球凹曲面为例对本发明进一步说明。
实施例1：
将清洗并干燥的口径为Φ150mm，半径为75mm的ZnS半球曲面基底置于载物台2上，保证旋转中心轴与凹球面对称轴重合，喷头3移至曲面最底部，，调节喷头3至曲面的距离为5mm。开启载物台，转速为2rpm；
开启加热单元的加热烘烤灯，温度设定为80℃，待达到设定温度后，保温40分钟；
稀释的正性光刻胶RZJ-304，其粘度为4mpa.s，喷头流量为1mL/min，并保持恒定。从凹曲面底部开始，初始曲面自转速率为3rpm，喷涂时间为3S；
喷头沿曲面运动，调整喷射角度，θ＝15°，然后进行涂覆，基底运动角速率为1.553rpm，自转1周后，停止喷涂；
喷头沿曲面运动，继续调整15°后进行涂覆，基底运动角速率为1.098rpm，自转1周后，停止喷涂；
重复上述方式，基底角速率依次分别为0.89rpm、0.803rpm；
待喷头移动至曲面最底部，基底运动角速率为0.7764rpm，且曲面自转一周后，完成胶体的涂覆，得到厚度为5um的光刻胶，其厚度均匀性为±10％。
实施例2：
将清洗并干燥的口径为Φ250mm，半径为125mm的铝钙钡玻璃半球曲面基底置于载物台上，喷头移至曲面最底部，曲面的对称中心与载物台中心重合，调节喷头至曲面的距离为5mm。开启载物台，转速为2rpm；
开启加热单元的加热烘烤灯，温度设定为80℃，待设定温度达到后，保温40分钟；
稀释的正性光刻胶RZJ-304，其粘度为10mpa.s，喷头流量为1.5mL/min，并保持恒定。从凹曲面底部开始，初始曲面自转速率为3rpm，喷涂时间为3s；
喷头沿曲面运动，运动15°后进行涂覆，基底运动角速率为1.553rpm，自转1周后，停止喷涂；
喷头沿曲面运动，继续运动15°后进行涂覆，基底运动角速率为1.098rpm，自转1周后，停止喷涂；
重复上述方式，基底角速率依次分别为0.89rpm、0.803rpm；
待喷头移动至曲面最底部，基底运动角速率为0.7764rpm，且曲面自转一周后，完成胶体的涂覆，得到厚度为15um的光刻胶，其厚度均匀性为±10％。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (12)
1.凹球面基底胶体涂覆装置，其特征在于，包括：
基台；
载物台，设于基台上，所述载物台用于装载待喷涂凹球面基底，并可带动凹球面基底旋转，旋转中心轴与凹球面对称轴重合；
可移动式光刻胶喷头，所述可移动式光刻胶喷头沿凹球面的半径喷射，所述可移动式光刻胶喷头可在凹球面内部移动以调整喷射角度，且喷涂距离不变，所述喷射角度为喷射方向与曲面对称轴之间的角度；
加热单元，其加热面与凹球面基底的外表面相适配，对基底进行加热，所述加热单元置于所述载物台上。
2.根据权利要求1所述的凹球面基底胶体涂覆装置，其特征在于，所述可移动式光刻胶喷头以凹球面的球心为旋转中心在垂直方向上转动，以调整喷射角度。
3.根据权利要求1所述的凹球面基底胶体涂覆装置，其特征在于，所述基台上还设有喷头调节机构，所述可移动式光刻胶喷头设于喷头调节机构上，所述喷头调节机构调节可移动式光刻胶喷头的喷射方向及喷涂距离。
4.根据权利要求3所述的凹球面基底胶体涂覆装置，其特征在于，所述喷头调节机构包括：
支撑体，设于基台上；
旋转中心轴，可转动设于支撑体上；
连接部，与旋转中心轴连接，并在旋转中心轴带动下转动；
所述可移动式光刻胶喷头设于连接部上，且可移动式光刻胶喷头3的喷射方向与旋转中心轴的轴线垂直。
5.根据权利要求4所述的凹球面基底胶体涂覆装置，其特征在于，所述连接部包括与旋转中心轴连接的第一连接杆、与第一连接杆连接的第二连接杆和与第二连接杆连接的第三连接杆，其中第一连接杆与旋转中心轴交叉设置，第三连接杆与旋转中心轴垂直，可移动式光刻胶喷头设于第三连接杆上。
6.根据权利要求4所述的凹球面基底胶体涂覆装置，其特征在于，还包括旋转角度显示机构，用于显示旋转中心轴旋转的角度。
7.根据权利要求6所述的凹球面基底胶体涂覆装置，其特征在于，所述旋转角度显示机构包括角度刻度盘和指针，角度刻度盘和指针其中一个固定于支撑体上，另一个固定于旋转中心轴上，随旋转中心轴6一起转动，通过指针读出角度刻度盘上的角度刻度。
8.凹球面基底胶体涂覆方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定喷涂过程中光刻胶喷头调整喷射角度的总次数m，确定光刻胶喷头每次调整的角度θ，θ＝α/m，所述喷射角度为喷射方向与凹球面的对称轴的夹角，所述每次调整的角度为喷射角度调整前后的差，a为凹球面球心至凹球面开口边缘的半径与凹球面对称轴之间的夹角；
对清洗干燥后的待喷涂凹球面基底加热；
自待喷涂凹球面的底部中心开始喷涂，然后沿底部中心向上调整喷射角度依次进行喷涂；喷涂过程中待喷涂凹球面基底以凹球面的对称轴为旋转轴进行旋转；光刻胶喷头沿凹球面的半径方向喷射并保持喷涂距离d不变；其中
喷涂凹球面底部中心时，基底以转速ω0转动y周，喷涂时间为T，其中，T由待喷涂胶体厚度确定，而ω0＝y2π/T，y为大于等于1的整数；
第一次调整喷射角度后进行喷涂，基底旋转的角速度为ω1＝(ω0sinθ)/sin(2θ),当凹球面转动y周后，停止喷涂；
第二次调整喷射角度后进行喷涂，基底旋转的角速度为ω2＝(ω0sinθ)/sin(3θ),当凹球面转动y周后，停止喷涂；
依次调整喷射角度进行喷涂，至喷头第m次调整喷射角度后，喷头移动至凹球面最高处，基底的角速度为ωm＝(ω0sinθ)/sin(mθ)，基底转动y周后，完成整个凹球面胶体的涂覆。
9.根据权利要求8所述的凹球面基底胶体涂覆方法，其特征在于，所述凹球面为半球面，a＝90°。
10.根据权利要求8所述的凹球面基底胶体涂覆方法，其特征在于，确定喷涂过程中光刻胶喷头调整喷射角度的总次数m的步骤如下：
获取固定光刻胶粘度、喷涂距离d和喷涂时间t下，胶层的厚度分布曲线：f0(x)(d,t)；
建立方程fn(x)，n≥1，fn(x)与f0(x)存在如下关系式：fn(x)(d,t)＝f0(x)(d,t)+np，其中，p为常数；
令F(x)＝f0(x)(d,t)+f1(x)(d,t)+f2(x)(d,t)+…+fn(x)(d,t)＝C，C为基底的凹球面上最终涂覆的胶层的厚度，计算得出p值；
光刻胶喷头调整喷射角度的总次数m＝L/P，L为待涂覆凹球面与过对称轴的切面相交的弧长的一半。
11.根据权利要求8所述的凹球面基底胶体涂覆方法，其特征在于，对清洗干燥后的待喷涂凹球面基底加热时，所述基底的转速为2-5rpm。
12.根据权利要求8所述的凹球面基底胶体涂覆方法，其特征在于，对清洗干燥后的待喷涂凹球面基底加热的温度为80℃-120℃，保温40分钟－60分钟，加热过程中基底以对称轴为旋转轴进行旋转。
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