CN110703373A - 一种精密金属反射光栅的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及反射光栅的制造领域，公开了一种精密金属反射光栅的制造方法，包括以下步骤：基板研磨；基底发黑；制作光栅微结构；微电铸；脱模、超声波清洗；检测组装。本发明通过将微电铸与UV‑LIGA技术、电解抛光、电镀发黑等工艺融合，制造出反射效果好、表面光洁度高、反射线条精度高、可批量化生产、成本相对较低的精密金属反射光栅。

Description

一种精密金属反射光栅的制造方法

技术领域

本发明涉及反射光栅的制造领域，尤其是涉及一种精密金属反射光栅的制造方法。

背景技术

随着技术的快速发展和应用领域的不断拓展，光电编码器对光栅要求线宽越来越小，精度越来越高，在此情况下，基于莫尔条纹原理的透射式光栅已经越来越无法满足要求，反射式光电信号的读取方式渐趋主流。这是因为：当透射式光栅的刻线线宽较小时(小于15μm)，对光源的平行度、轴系端跳、径调的要求苛刻，只能在实验室中应用，刻线宽度低于10um时基本上无法获取光电信号。

另一方面，一般反射式光栅多为玻璃或菲林反射光栅，这些材质的反射式光栅无法在高、低温条件下工作，且不具备抗震、抗老化性能，因此，高质量的光栅必须采取金属材质。

综上，高精度金属反射光栅更适用于高精度反射式编码器制造、多轴悬臂机器人、感应器等领域的应用。

目前，金属反射光栅一般有四种加工方法，具体如下：

(1)激光直写法。激光直写法本质是一种无掩模光刻法，一般是使用飞秒激光在金属表面直接烧蚀。该方法具有精度高、一致性好的优点。但是飞秒激光器价格昂贵而且光栅只能一条一条刻划，制造大尺寸、大批量的光栅效率很低，且对激光器本身也构成较大损耗，因此此法主要在实验室研究使用，在工业化量产时使用较少。

(2)纳米压印法。纳米压印是先制造模板，再通过光刻胶辅助，将模板微结构转移到代加工材料上的技术。纳米压印技术的精度极高，可以达到5纳米以下。由于模板可以重复使用，因此适合批量化生产，而且当数量较大时，产品单件成本可以显著降低。纳米压印技术具有显著的优点，但这项技术的准入成本极高：仅制作模板就需要建立一个完整的微加工实验室才能完成。因此该技术主要还处于实验室探索阶段，应用到工业化生产尚需要时间。同时，对于编码器和多轴悬臂机器人一类设备，公差控制在±1um即可，纳米级精度的光栅既无必要，也抬高了成本。

(3)化学蚀刻法。化学蚀刻法通过制作很薄的透射金属光栅(精度要求高时厚度可以为0.05mm)，再将透射光栅通过特有的方式粘贴在基底上。由于透射光栅较薄，因此也可以形成反射效果。化学蚀刻法受到深宽比的限制，栅距很难做到35μm以下，因此其做出的不是真正意义上的反射光栅，仅在精度要求较低时作为替代品使用。

(4)UV-LIGA结合微电铸技术。UV-LIGA技术一般是做金属高深宽比结构的理想技术，因此在金属材质方面具有天然优势。其次，在制作金属反射光栅时，通过合理的控制光刻胶厚度，再结合微电铸工艺实现精确的金属沉积，可以实现反射光栅所需的理想效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种精密金属反射光栅的制造方法，通过将微电铸与UV-LIGA技术、电解抛光、电镀发黑等工艺融合，制造出反射效果好、表面光洁度高、反射线条精度高、可批量化生产、成本相对较低的精密金属反射光栅。

为达到上述目的，本发明提供一种精密金属反射光栅制造方法，应用于金属反射光栅的制造，包括下列步骤：

基板研磨：将选取好的平面金属基板采用电解抛光去除表面杂质、划痕及凹凸点，然后清洗研磨，放置烘箱中烘烤，形成研磨好的基板；

基底发黑：对所述研磨好的基板采取电镀发黑法处理，制作出金属发黑基底；

制作光栅微结构：对所述金属发黑基底进行制作光栅微结构处理，形成显影好的基板；

微电铸：采用微合金沉积设备，对所述显影好的基板进行处理，完成合金沉积；

脱模、超声波清洗：所述合金沉积的基板经脱模槽脱模后，将脱离的金属薄片使用丙酮+超声清洗，在显微镜下观察光刻胶彻底去除后结束清洗；

检测组装：对清洗烘干后的反射光栅依次检查其相关尺寸精度、图形准确度、表面光洁度、金属片厚度，再将其进行包装。

其中，制作光栅微结构形成显影好的基板的步骤包括：

制造铬版掩膜版的制造：采用激光束或电子束逐行扫描所述金属发黑基底；

旋涂光刻胶：在制造的铬版掩膜版上均匀涂覆一层光刻胶；

前烘：通过加热蒸发掉所述光刻胶中的有机溶剂并使其固化；

曝光：采用紫外曝光机使胶膜区域感光从而产生光酸；

后烘：在曝光后进行后烘，随后再自然冷却至室温；

显影：采用显影机，对后烘好的基板进行显影作业。

其中，微电铸完成合金沉积的步骤包括：

将所述显影好的基板固定在阴极铜夹具上放入合金沉积槽，所述基板浸没在所述合金沉积槽的合金沉积溶液中，所述合金沉积溶液为添加了次亚磷酸钠的氨基磺酸镍溶液混合溶液；

连接电源，启动所述微合金沉积设备的摇摆设备；

设定电流大小和合金沉积时间，待所述微合金沉积设备停止作业，即完成合金沉积。

制作光栅微结构步骤优选地，采用甩胶机旋涂光刻胶时，所述甩胶机操作条件为旋涂90秒，光刻胶厚度为0.2─5μm；所述前烘步骤的操作条件为 85℃情况下前烘1h；所述曝光步骤中采用的曝光机操作条件为：功率为 100KW，曝光量4000C，所述曝光机中的UV灯管为高压汞灯，所述曝光时间为20s；所述后烘的操作条件为85℃情况下前烘2h；所述显影步骤中，显影机的操作条件为：碳酸钠或碳酸钾溶液重量百分比为0.3─0.4％，速度：0.2─2.0mm/s，压力：0.2─2.0kg，弱碱溶液的PH值：7.5─9.0，温度：22.0 ─40.0℃。

优选地，所述脱模、超声波清洗步骤中，所述脱模槽中溶液包含的组分及操作设定参数为：氢氧化钠或氢氧化钾溶液重量百分比为1─10％，PH8.0 ─9.0，温度：80℃，超声波频率：22000HZ。

优选地，在所述检测组装步骤中，采用丝绵、防静电塑料盒包装。

优选地，所述金属基板包括不锈钢基板、镍基板、铜基板和铝基板。

本发明技术方案相对于现有技术的有益效果是：

1.本发明采用的制作原料是金属材质，相比玻璃或者菲林反射光栅，具有防污、抗震、抗高低温(可在-20℃-85℃条件下工作)的优点。

2.本发明制造反射光栅，相比较于透射光栅，具备明显的精度优势: 透射光的栅距在10um以下，原理上就完全无法工作,一般透射式光栅设计栅距在30um以保持工作稳定性，而反射光栅在10um-25um条件下能良好工作。

3.本发明对金属基板采用电解抛光和电镀发黑技术，使得基底的光洁度Ra≤0.02；采用UV-LIGA技术进行制造光栅结构，使得光栅反射率达 95％，具有优异的反射效果。

4.本发明结合UV-LIGA技术和微电铸技术，金属反射光栅具有精度高、一致性好的特点。

5.本发明采用微电铸的化学增材制造技术，图形表面的复杂性不影响产品精度，相比于纳米压印法和激光直写法，可实现快速打样测试，有助于设计师快速验证自己的产品并将成熟产品有效投放于市场。

6.采用丝绵、防静电塑料盒包装，有效避免了产品运输途中的相互挤压和拆装过程中的刮擦磨损，从而提高了产品的有效使用率。

附图说明

图1为本发明制作精密金属反射光栅的工艺流程图；

图2为图1中制作光栅微结构的流程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参见图1和图2所示，示出了制造精密金属反射光栅的整个工艺流程，包括以下步骤：

步骤1、基板研磨：

选取平面金属基板，金属基板可以为不锈钢、镍、铜、铝等，将基板表面采用电解抛光法清洗研磨，去除表面杂质、划痕及凹凸点，清洗研磨后放置烘箱中烘烤，烘烤温度为150～180℃。

步骤2、基底发黑：

对研磨好的金属基板采取电镀发黑法，制作出的金属发黑基底Ra≤ 0.02，表面光洁度高。

步骤3、制作光栅微结构，分为以下步骤：

(1)铬版掩膜版的制造

采用激光束或电子束逐行扫描方式制作高精度铬掩膜版；

(2)旋涂光刻胶

在发黑后的基底上面均匀涂覆一层光刻胶。甩胶机选取SC100匀胶显影一体机，旋涂90s，选取的光刻胶为负性SU8胶，光刻胶厚度为0.2-5 μm；

(3)前烘

前烘主要是蒸发掉光刻胶中的有机溶剂并使其固化。操作条件为：85 ℃情况下前烘1小时；

(4)曝光

曝光是使需要发生交联反应的胶膜区域感光从而产生光酸。实施例中采用德国ABM接触式掩膜紫外曝光机，曝光机功率为100KW,曝光量为 4000C,曝光时间为20s；

(5)后烘

后烘是为了进一步促使光刻胶产生交联反应。在曝光后再进行后烘，在85℃下保持2h,随后再自然冷却至室温；

(6)显影

采用显影机，对曝光好的基板进行显影作业，显影时调节显影参数为：碳酸钠或碳酸钾溶液重量百分比为0.3—0.4％，速度：0.2—2.0mm/s，压力：0.2—2.0kg，弱碱溶液的PH值：7.5—9.0,温度：22.0—40.0℃；

步骤4、微电铸：

微合金沉积设备由合金沉积槽、阴阳极、高频直流或脉冲电源、合金沉积溶液、温控仪器、循环过滤设备及摇摆设备组成，所述合金沉积溶液为添加次亚磷酸钠的氨基磺酸镍溶液混合溶液，操作步骤是，将显影好的基板固定在阴极铜夹具上，放入合金沉积槽中，保证槽中溶液高度超过基板高度，连接好电源线，启动摇摆设备左右或上下摇摆，根据要制作的复杂高精密合金零部件的厚度来设定对应的电流大小和合金沉积时间，待达到合金沉积厚度范围后，即自动停止合金沉积作业，完成合金沉积。

步骤5、脱模、超声波清洗：

将完成合金沉积后的基板放入脱模槽中，脱模完成后将基板取出，镊起基板上的金属薄片，放入超声波槽中清洗，使用丙酮+超声清洗，去胶时间约5h，具体以在显微镜下观察光刻胶去除彻底为合格。

步骤6、检测组装：

将清洗烘干后的反射光栅依次检查，检查复杂精密图形的相关尺寸精度、图形准确度、表面光洁度、金属片厚度，检测满足要求后，将精密金属零部件按照规格包装。为避免零部件产品在运输途中的相互挤压和拆装过程中的刮擦磨损，实施例中采用丝绵、防静电塑料盒包装。

本实施例中，要求制造一种金属反射光栅，要求参数为：

长120m；

厚0.1mm；

宽20mm；

反射金线长8mm；

加工件表面每条金反射线宽20um；

反射线与非反射线1：1均匀分布；

误差为±5um以内。

选取厚度为0.1mm的金属基板，按照上述加工工艺的流程操作，制作出的金属反射光栅参数如下：

长120mm；

厚0.1mm；

宽20mm；

反射金线长8mm；

加工件表面每条金反射线宽20um；

反射线与非反射线1：1均匀分布；

误差为±1μm；

光栅平整度为0.03mm；

微电铸金厚度5μm；

位置偏移精度控制在±0.010mm。

综上所述，采用本发明提供的精密金属反射光栅制造方法，制造出的金属反射光栅反射效果好、表面光洁度高、反射线条精度高、成本相对较低。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种精密金属反射光栅的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：基板研磨：将选取好的平面金属基板采用电解抛光去除表面杂质、划痕及凹凸点，然后清洗研磨，放置烘箱中烘烤，形成研磨好的基板；

基底发黑：对所述研磨好的基板采取电镀发黑法处理，制作出金属发黑基底；

制作光栅微结构：对所述金属发黑基底进行制作光栅微结构处理，形成显影好的基板；

微电铸：采用微合金沉积设备，对所述显影好的基板进行处理，完成合金沉积；

脱模、超声波清洗：所述合金沉积的基板经脱模槽脱模后，将脱离的金属薄片使用丙酮+超声清洗，在显微镜下观察光刻胶彻底去除后结束清洗；

检测组装：对清洗烘干后的反射光栅依次检查其相关尺寸精度、图形准确度、表面光洁度、金属片厚度，再将其进行包装。

2.根据权利要求1所述的一种精密金属反射光栅的制造方法，所述制作光栅微结构、形成显影好的基板的步骤包括：

铬版掩膜版的制造：采用激光束或电子束逐行扫描所述金属发黑基底；旋涂光刻胶：在制造的铬版掩膜版上均匀涂覆一层光刻胶；

前烘：通过加热蒸发掉所述光刻胶中的有机溶剂并使其固化；

曝光：采用紫外曝光机使胶膜区域感光从而产生光酸；

后烘：在曝光后进行后烘，随后再自然冷却至室温；

显影：采用显影机，对后烘好的基板进行显影作业。

3.根据权利权利要求2所述的一种精密金属反射光栅的制造方法，其特征在于，在旋涂光刻胶时，采取甩胶机，所述甩胶机操作条件为旋涂90秒，光刻胶厚度为0.2─5μm。

4.根据权利要求2所述的一种精密金属反射光栅的制造方法，其特征在于，所述前烘步骤的操作条件为85℃情况下前烘1h。

5.根据权利要求2所述的一种精密金属反射光栅的制造方法，其特征在于，所述曝光步骤中采用的曝光机操作条件为：

功率为100KW；

曝光量4000C；

所述曝光机中的UV灯管为高压汞灯；

所述曝光时间为20s。

6.根据权利要求2所述的一种精密金属反射光栅的制造方法，其特征在于，所述后烘的操作条件为85℃情况下前烘2h。

7.根据权利要求2所述的一种精密金属反射光栅的制造方法，其特征在于，所述显影步骤中，显影机的操作条件为：

碳酸钠或碳酸钾溶液重量百分比为0.3─0.4％；

速度：0.2─2.0mm/s；

压力：0.2─2.0kg；

弱碱溶液的PH值：7.5─9.0；

温度：22.0─40.0℃。

8.根据权利要求1所述的一种精密金属反射光栅的制造方法，其特征在于，所述微电铸包括以下步骤：

将所述显影好的基板固定在阴极铜夹具上放入合金沉积槽，所述基板浸没在所述合金沉积槽的合金沉积溶液中；

连接电源，启动所述微合金沉积设备的摇摆设备；

设定电流大小和合金沉积时间，待所述微合金沉积设备停止作业，即完成合金沉积。

9.根据权利要求8所述的一种精密金属反射光栅的制造方法，其特征在于，所述合金沉积溶液为添加了次亚磷酸钠的氨基磺酸镍溶液混合溶液。

10.根据权利要求1所述的一种精密金属反射光栅的制造方法，其特征在于，所述脱模、超声波清洗步骤中，所述脱模槽中溶液包含的组分及操作设定参数为：

氢氧化钠或氢氧化钾溶液重量百分比为1─10％；

PH：8.0─9.0；

温度：80℃；

超声波频率：22000HZ。

11.根据权利要求1所述的一种精密金属反射光栅的制造方法，其特征在于，在所述检测组装步骤中，采用丝绵、防静电塑料盒包装产品。

12.根据权利要求1至11任一项所述的一种精密金属反射光栅的制造方法，其特征在于，所述金属基板包括不锈钢基板、镍基板、铜基板和铝基板。

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