一種微探針尖端成形激光加工系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微探針尖端加工制造領(lǐng)域，特別涉及一種微探針尖端成形激光加工系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]微探針是表面形貌測(cè)量儀、輪廓測(cè)量儀、觸針式位移傳感器等測(cè)量儀器的核心組成部件，在精密測(cè)量加工、高端產(chǎn)品制造等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，有著廣泛地應(yīng)用。
[0003]對(duì)于微探針，一個(gè)好的微球形尖端是必不可少的。如何對(duì)探針進(jìn)行加工，使其具有良好的微球形尖端是一個(gè)亟待解決的技術(shù)難題。
[0004]傳統(tǒng)的微探針尖端熱成形加工方法有以下幾種:火焰加熱成形法、電阻絲加熱成形法、電弧放電加熱成形法等。這些加工方法都有其自身的缺陷與不足。
[0005]火焰燒制方法是一種較早的微探針尖端成形加工方法。該成形加工系統(tǒng)主要包括:火焰發(fā)生器，固定夾具，夾持調(diào)整平臺(tái)等。其中火焰由氫氣或乙醇或丙烷等燃料燃燒產(chǎn)生，通過火焰發(fā)生器的噴嘴噴出，給被加工探針尖端加熱。這種加工方法存在的主要問題是:1、火焰空間分布較大，不適用于微小局部精確加工。2、燃燒產(chǎn)生的火焰溫度場(chǎng)易受氣流、濕度等外界影響，且加熱時(shí)間不能精確控制，導(dǎo)致尖端成型的一致性和重復(fù)性較差。3、燃料的燃燒會(huì)引入其他氧化物附著于探針球形尖端，對(duì)探針尖端造成影響。
[0006]電阻絲加熱燒制法是在火焰加熱方法的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，該成形加工系統(tǒng)主要包括:發(fā)熱電阻絲或電阻片及與之連接的電路、固定夾具、夾持調(diào)整平臺(tái)等。與火焰燒制方法相比此方法的加熱區(qū)域由電阻片大小約束。但就其本身特點(diǎn)來說還是存在以下缺陷:1、加熱區(qū)域較大，不適宜微小局部精確加工。2、加熱過程中，發(fā)熱材料容易粉末化和裂損，釋放有毒物質(zhì)；3、發(fā)熱材料升溫速度較慢且需要通入較大電流，對(duì)硬件電路要求很高。
[0007]電弧放電加熱方法是一種較常見的針對(duì)高熔點(diǎn)材料探針的尖端成形加工方法，該方法主要基于電弧放電、能量吸收和表面張力等基本原則對(duì)探針尖端成形加工。其加工系統(tǒng)的組成包括:高頻高壓電源、兩個(gè)對(duì)稱的電極組件和與之連接的電路、固定夾具、夾持調(diào)整平臺(tái)等。電極放電加工方式主要存在的缺陷是:1、加熱區(qū)域雖然較前面幾種較小但是其大小不能根據(jù)加工要求調(diào)整，靈活性和通用性差。2、加工出來的球形尖端表面存在電弧坑、氣泡等缺陷。3、加工時(shí)為防止被加工材料和放電電極與氧氣反應(yīng)，需要通入保護(hù)氣體，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決以上微探針尖端成形加工技術(shù)中存在的缺陷，提高微探針尖端的球形質(zhì)量?；诩す饧庸し椒ㄔ诠饫w耦合器件制備上的應(yīng)用思路，我們發(fā)明了一種微探針尖端成形激光加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用的具體技術(shù)方案詳見下文描述:
[0009]本加工成形系統(tǒng)，主要由激光發(fā)生模塊、光路調(diào)節(jié)模塊、探針位置調(diào)整模塊、在線監(jiān)測(cè)模塊、信號(hào)分析處理模塊、激光防護(hù)模塊等組成。所述的激光發(fā)生模塊包括:co2激光器(I)、直流電源(2)、功率控制器(3)等，用來產(chǎn)生CO2激光；其特征是:所述的CO 2激光器的后端分別連接直流電源(2)和功率控制器(3)，前方設(shè)有所述的光路調(diào)節(jié)模塊。
[0010]所述的光路調(diào)節(jié)模塊包括:激光指示器(4)、合束鏡(5)、聚焦透鏡(6)、激光吸收器(10)等，用來調(diào)節(jié)激光光路，其特征是:所述的激光指示器、合束鏡、聚焦透鏡、激光吸收器的中心處在與X-Y平面平行的同一水平面上，其中激光指示器位于合束鏡(5)的右側(cè)，可發(fā)射出能量較低且可見的第二激光，所述的合束鏡、聚焦透鏡和激光吸收器，沿著水平的CO2激光光軸從左向右依次排列。
[0011]所述的位移調(diào)整模塊為二維或多維精密位移平臺(tái)(9)，用來調(diào)整微探針毛坯的相對(duì)位置，其特征是:所述的位移平臺(tái)是一種精密驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，設(shè)置在聚焦透鏡出)的右側(cè)；在所述的位移平臺(tái)上剛性連接有夾具，所述的夾具用來固定所述的微探針毛坯，通過調(diào)節(jié)位移平臺(tái)可改變微探針毛坯(8)的位置，使其尖端處于所述的聚焦透鏡的右側(cè)焦點(diǎn)附近。
[0012]所述的在線監(jiān)測(cè)模塊為一種顯微成像設(shè)備(7)，用來觀測(cè)探針尖端的成形過程，其特征是:所述的顯微成像設(shè)備主要包括顯微成像鏡頭和圖像傳感器陣列，所述的圖像傳感器陣列通常為CCD器件或CMOS器件中的一種，所述的顯微成像設(shè)備的鏡頭對(duì)準(zhǔn)被加工的微探針毛坯(8)的尖端，設(shè)備輸出端接入信號(hào)分析處理模塊(11)中，可將微探針毛坯尖端成形加工過程的實(shí)時(shí)圖像信息傳輸給信號(hào)分析處理模塊(11)，實(shí)現(xiàn)了可視化的在線加工操作。
[0013]所述的信號(hào)分析處理模塊(11)為計(jì)算機(jī)，用來控制功率控制器(3)的信號(hào)輸出和接收顯微成像設(shè)備(7)的圖像信息。其特征是:所述的信號(hào)分析處理模塊分別與功率控制器(3)和顯微成像設(shè)備(7)連接，所述的顯微成像設(shè)備將拍攝的實(shí)時(shí)加工信息，傳輸給信號(hào)分析處理模塊(11)進(jìn)行分析處理。根據(jù)分析結(jié)果，信號(hào)分析處理模塊(11)再通過調(diào)整功率控制器⑶的參數(shù)來控制CO2激光器⑴的加工功率。
[0014]所述的激光防護(hù)模塊為防護(hù)玻璃罩(12)，其特征是:所述的防護(hù)玻璃罩由四塊CO2激光專用防護(hù)玻璃板構(gòu)成，罩在整個(gè)激光光路經(jīng)過的區(qū)域，可防止CO2激光的偏移散射對(duì)使用人員造成傷害。
[0015]如上所述的一種微探針尖端成形激光加工系統(tǒng)，更進(jìn)一步說明為，所述的合束鏡的中心平面與X-Y平面垂直且與Y-Z平面成45度角放置，所述的0)2激光器發(fā)出的沿Y軸方向的第一激光(13)，入射到合束鏡(5)的中心，激光指示器(4)發(fā)出的沿X軸負(fù)方向可見的第二激光(14)入射到合束鏡(5)的中心，兩束激光經(jīng)過合束鏡(5)后，合并成一束沿Y軸方向具有與第二激光相同顏色的第三激光(15);所述的第三激光入射到聚焦透鏡(6)后，匯聚在所述的微探針毛坯(8)的尖端，可對(duì)微探針尖端加熱成形。其他的殘余激光照射在激光吸收器(10)上，被激光吸收器(10)阻隔吸收。
[0016]如上所述的一種微探針尖端成形激光加工系統(tǒng)，更進(jìn)一步說明為，所述的CO2激光的電源由直流電源(2)提供，激光功率由與信號(hào)分析處理模塊(11)相連的功率控制器(3)調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)之所以采用CO2激光器，是因?yàn)楸患庸さ奈⑻结樁鄶?shù)由非金屬材料制成，而非金屬材料對(duì)CO2激光的吸收效率比其它激光要高。
[0017]如上所述的一種微探針尖端成形激光加工系統(tǒng)，更進(jìn)一步說明為，所述的功率控制器為一種通過調(diào)節(jié)脈沖寬度輸出，實(shí)現(xiàn)激光輸出功率調(diào)節(jié)的設(shè)備，分別與CO2激光器(I)和信號(hào)分析處理模塊(11)連接。所述的信號(hào)分析處理模塊用來給所述的功率控制器提供控制信號(hào)，控制功率控制器(3)的啟動(dòng)和停止。功率控制器(3)啟動(dòng)后，會(huì)把用戶預(yù)設(shè)的PWM信號(hào)作用于CO2激光器(I)，實(shí)現(xiàn)CO2激光的觸發(fā)。用戶可通過信號(hào)分析處理模塊(11)調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)的PWM信號(hào)參數(shù)，靈活調(diào)整0)2激光的輸出時(shí)間和輸出功率，從而可精確控制探針尖端加熱時(shí)間和加熱量，增強(qiáng)了加工過程的可控性和可操作性。
[0018]如上所述的一種微探針尖端成形激光加工系統(tǒng)，更進(jìn)一步說明為，所述的合束鏡為一種對(duì)不同波長的光作用不同的鏡片。由于本系統(tǒng)使用的CO2激光為人眼不可見的紅外激光，若不經(jīng)處理，將會(huì)影響后續(xù)加工操作和帶來安全隱患。為此本系統(tǒng)增加了激光指示器
(4)與合束鏡(5)，用來對(duì)CO2激光進(jìn)行標(biāo)注指示。所述的激光指示器可發(fā)射出一種能量較低且可見的第二激光，所述的合束鏡對(duì)第一激光(13)具有超高的透射率，對(duì)第二激光(14)有很強(qiáng)的反射能力。透射出合束鏡(5)的第一激光(13)與經(jīng)合束鏡(5)反射的第二激光
(14)將合并成與所述的第二激光具有相同顏色的第三激光(15)，從而完成對(duì)0)2激光的標(biāo)注指示，實(shí)現(xiàn)了后續(xù)加工過程中C02激光光路的可視化。
[0019]如上所述的一種微探針尖端成形激光加工系統(tǒng)，更進(jìn)一步說明為，所述的聚焦透鏡為一種根據(jù)激光器輸出激光的波長范圍選擇的聚焦透鏡，其鏡片多用ZnSe、Ge等對(duì)CO2激光具有超高透射率的材料制成。聚焦透鏡(6)的中心在第三激光(15)的光軸上，用來對(duì)CO2激光進(jìn)行匯聚，使激光光斑變小，匯聚后的CO 2激光空間能量分布更加集中，可對(duì)探針尖端進(jìn)行局部快速加熱成型。
[0020]如上所述的一種微探針尖端成形激光加工系統(tǒng)，更進(jìn)一步說明為，所述的激光吸收器安置在整個(gè)光路系統(tǒng)的末端，用來阻擋和吸收殘余激光，保證使用人員的人身安全。
[0021]本發(fā)明的有益效果
[0022]與傳統(tǒng)的微探針尖端熱成形方法相比，本發(fā)明帶來的有益效果是:
[0023]能夠靈活調(diào)整熱源作用區(qū)域的大小和位置，不易導(dǎo)致微探針除尖端以外其他區(qū)域損壞，非常適合對(duì)微小局部區(qū)域快速加熱，得到理想的探針尖端形狀。
[0024]加工時(shí)間較短，探針尖端成形一致性和重復(fù)性較好，加工功率和作用時(shí)間容易精確控制，可按照自己的需求靈活