專(zhuān)利名稱(chēng)：柱面變柵距光柵的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種抗電磁干擾的絕對(duì)式角度傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種 直接計(jì)數(shù)式變柵距單光柵結(jié)構(gòu)的角位移傳感器中柱面變柵距光柵的制作方 法。
背景技術(shù)：
在上個(gè)世紀(jì)末，由美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家首先提出幾種光傳系統(tǒng)先進(jìn)部 件研究計(jì)劃， 一些大公司分別開(kāi)發(fā)了幾種不同原理的光學(xué)位移傳感器，有 些在實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證，有些已經(jīng)通過(guò)試飛實(shí)驗(yàn)。直接計(jì)數(shù)式變柵距單光柵 結(jié)構(gòu)的角位移傳感器也是一種全光式角位移傳感器。這種傳感器也可以用 在工業(yè)生產(chǎn)中電磁場(chǎng)較強(qiáng)的場(chǎng)所，能代替現(xiàn)有容易受電磁信號(hào)干擾電磁式 位移傳感器，在環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)所使用，所以具有很寬的應(yīng)用前景。就目前已有的文獻(xiàn)以變柵距光柵為基礎(chǔ)的光柵傳感器和控制方法(Optical grating sensor and method of monitoring with a multi-period grating patent number: 4985624 )給出了這種傳感器的工作原理，但是沒(méi)有提到其中柱 面變柵距光柵的制作材料和方法，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有關(guān)于柱面變柵距光柵制作的 研究。由于傳感器的應(yīng)用中要求圓柱面上的光柵面形比較理想和圓度要求 較高，給實(shí)際的傳感器的制作帶來(lái)不可解決的難題。變柵距光柵角度傳感器的工作原理見(jiàn)圖7，柱面變柵距光柵的周期與角度對(duì)應(yīng)位移關(guān)系式如式(l),寬光 譜的白光7通過(guò)Y型光纖6中的一根光纖入射到柱面變柵距光柵4后，由 自準(zhǔn)直角衍射回來(lái)的光通過(guò)Y型光纖6中的另一根光纖回到光譜儀8中， 由自準(zhǔn)直衍射光的波長(zhǎng)與變柵距光柵周期的關(guān)系式(2)知由光譜儀測(cè)量得 到的波長(zhǎng)值能夠計(jì)算出變柵距光柵的周期，再通過(guò)式(l)能夠得到角位移與 波長(zhǎng)的關(guān)系式，即關(guān)系式(3)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9通過(guò)由光譜儀8采集的波長(zhǎng)
值計(jì)算出傳感器中的角度位移。<formula>formula see original document page 5</formula>(1)(2)存在問(wèn)題目前國(guó)內(nèi)還無(wú)法直接在圓柱面上刻劃變柵距光柵。通過(guò)在 很薄的基片上制作光柵后，再將基片彎曲粘到圓柱面上的方法，形成柱面 變柵距光柵。如果使用常用的聚酰亞胺作為材料，通過(guò)全息法得到光柵后， 鍍反射膜得到反射光柵，為了彎曲方便需要厚度較薄的聚酰亞胺基底，但 是由于材質(zhì)的選擇使得在聚酰亞胺基底上涂膠困難，而且將該材料彎曲后 表面容易產(chǎn)生褶皺，影響實(shí)際的使用，同時(shí)聚酰亞胺薄膜不能滿(mǎn)足傳感器 的使用環(huán)境要求。使用其他方法，如機(jī)械加工很薄的金屬薄片作為基底， 用全息法在其上制作變柵距光柵，由于機(jī)械加工的金屬表面很難達(dá)到光學(xué) 級(jí)別的精度，造成全息法制作的光柵質(zhì)量較差，同時(shí)表面粗造度會(huì)造成實(shí) 際的光柵表面散射現(xiàn)象嚴(yán)重，影響光柵的使用，使傳感器的信號(hào)提取難度 增力口。為了解決上述現(xiàn)有制作彎曲的變柵距光柵存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一 種適用于直接計(jì)數(shù)式變柵距單光柵結(jié)構(gòu)的角位移傳感器中柱面變柵距光柵 的制備方法。本發(fā)明的操作步驟如下柱面變柵距光柵的制備方法包括以下操作步驟 第1步、用全息法制作光刻膠光柵圖形；在平面玻璃基底上涂300nm-1200nm厚度的光刻膠層，通過(guò)曝光、顯影、 烘干全息法光柵制作步驟得到平面的光刻膠變柵距光柵浮雕圖形； 第2步、鍍鉻膜和金膜在平面的光刻膠變柵距光柵浮雕圖形上用濺射鍍膜法鍍8-12nm厚度的 鉻膜，然后鍍16-20nm厚度的金膜，得到電鍍鎳的種子層；

發(fā)明內(nèi)容
第3步、電鍍鎳在電鍍鎳的種子層上電鍍鎳，電鍍鎳厚度為50-lOOpm,得到具有金屬 鎳變柵距光柵的電鍍基片； 第4步、分離金屬鍍層將有金屬鎳變柵距光柵的電鍍基片放入丙酮內(nèi)，約2-3小時(shí)。溶解掉 光刻膠層，使金屬鎳變柵距光柵與平面玻璃基底分離； 第5步、鍍鋁用熱蒸發(fā)鍍膜機(jī)在金屬鎳變柵距光柵的變柵距光柵圖形面上鍍鋁，鍍 鋁厚度約120 nm -150nm,得平面金屬鎳變柵距光柵基片；第6步、平面金屬鎳變柵距光柵基片彎曲成柱面變柵距光柵用膠粘劑將平面金屬鎳變柵距光柵基片粘貼到柱體的柱面上，且變柵 距光柵圖形面向外，固化后得柱面變柵距光柵。所述玻璃基底為光學(xué)玻璃基底。所述電鍍鎳的工藝條件是在開(kāi)始電鍍一小時(shí)內(nèi)電流密度為5 mA/cm2,然后將電流密度調(diào)節(jié)到10mA/cm2,電鍍時(shí)間為5小時(shí)-8小時(shí)。所述電鍍鎳所用電鍍?nèi)芤旱某煞莅被撬徭?30g/L,氯化鎳40g/L,硼酸50 g/L。所述電鍍鎳厚度均勻，厚度差小于5pm。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是，不要求很高的機(jī)械加工精度來(lái)拋光金屬基 底，通過(guò)現(xiàn)有的光學(xué)加工手段，K9玻璃基底表面精度4艮容易達(dá)到納米級(jí)， 由全息法能制作表面粗糙度很好的變柵距光柵。柱面變柵距金屬光柵的表 面精度是由光刻膠光柵表面精度復(fù)制而得，所以能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的表面精度。 相比直接在很薄的金屬基底上做光柵或機(jī)械刻劃變柵距光柵，成本低，光 柵效率更高。解決了傳感器中柱面變柵距光柵的制作難題。


圖1為本發(fā)明工藝流程圖，圖2在光學(xué)玻璃基底上涂光刻膠，圖3全息法在光刻膠上制得平面變柵距浮雕光柵，
圖4電鍍得到具有金屬鎳變柵距光柵的電鍍基片，圖5剝離取得金屬鎳變柵距光柵基片，圖6金屬鎳變柵距光柵基片粘貼到柱體的外柱面上，圖7變柵距光柵角度傳感器工作原理示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。 實(shí)施例1:柱面變柵距光柵的制備方法包括以下操作步驟，見(jiàn)圖1;用旋轉(zhuǎn)涂膠法在具有納米級(jí)精度表面的K9玻璃基底1上涂厚度400 nm 光刻膠2，見(jiàn)圖2;在設(shè)計(jì)好的變柵距光柵成像光路上曝光，通過(guò)顯影，烘 干等一系列全息制作光柵的步驟在光刻膠上得到平面的光刻膠變柵距光柵 浮雕圖形3，要保證光刻膠具有一定的厚度，使光柵的槽形結(jié)構(gòu)不接觸K9 基底，見(jiàn)圖3，光柵全長(zhǎng)為100mm,光柵線密度變化范圍 8001ine/mm-14001ine/mm。使用離子束濺射鍍膜機(jī)在平面的光刻膠變柵距光柵浮雕圖形3鍍上厚 度10nm的鉻(Cr)膜，然后鍍厚度20nm的金膜，作為電鍍鎳(Ni )的種 子層。使用現(xiàn)有的電鍍鎳(Ni )的方法在電鍍鎳(Ni )的種子層上電鍍鎳(Ni ) (電鍍?nèi)芤旱某煞莅被撬徭?30g/L,氯化鎳40g/L，硼酸50 g/L)，為 得到較好的光柵圖形，在開(kāi)始電鍍一小時(shí)內(nèi)電流密度較小約5 mA/cm2，然 后將電流密度調(diào)節(jié)到10mA/cm2左右，電鍍時(shí)間為5小時(shí)-8小時(shí)，電鍍金屬 鎳(Ni)的厚度在80jim。電鍍厚度要均勻，厚度差保證在5pm之內(nèi)，見(jiàn)圖 4,得到具有金屬鎳變柵距光柵的電鍍基片4。將具有金屬鎳變柵距光柵的電鍍基片4放在丙酮內(nèi)，使平面的光刻膠 變柵距光柵浮雕圖形3溶解，使金屬鎳變柵距光柵與K9玻璃基底1分離， 見(jiàn)圖5。清洗金屬鎳變柵距光柵，再用熱蒸發(fā)鍍膜機(jī)在金屬鎳變柵距光柵的變柵 距光柵圖形面上鍍鋁，鍍鋁厚度150nm，即得到平面金屬鎳變柵距光柵基片，
鍍鋁可提高光柵的衍射效率。將鍍鋁后的平面金屬鎳變柵距光柵基片的光柵面向外彎曲后，用雙組份膠粘劑DG-4粘在半徑為20mm的圓柱面上，固化后得圓柱面變柵距光柵， 見(jiàn)圖6。實(shí)施例2:在K9基片上涂厚度300nm光刻膠層，全息法制作變柵距光柵，離子束濺射鍍厚度8nm鉻膜和厚度16nm金膜，電鍍鎳(Ni) 5(Vm，將鎳金屬光柵賊射鍍120mn厚度的鋁增強(qiáng)光柵的衍射效率， 其它同實(shí)施例1。 實(shí)施例3:在K9基片上涂厚度1200nm光刻膠， 全息法制作變柵距光柵， 離子束濺射鍍厚度9nm鉻膜和厚度18nm金膜， 電鍍鎳(Ni) 100jam，將鎳金屬光柵賊射鍍140mn厚度的鋁增強(qiáng)光柵的衍射效率， 其它同實(shí)施例1。
權(quán)利要求
1、柱面變柵距光柵的制備方法，其特征在于包括以下操作步驟第1步、用全息法制作光刻膠光柵圖形；在平面玻璃基底上涂300nm-1200nm厚度的光刻膠層，通過(guò)曝光、顯影、烘干全息法光柵制作步驟得到平面的光刻膠變柵距光柵浮雕圖形；第2步、鍍鉻膜和金膜在平面的光刻膠變柵距光柵浮雕圖形上用濺射鍍膜法鍍8-12nm厚度的鉻膜，然后鍍16-20nm厚度的金膜，得到電鍍鎳的種子層；第3步、電鍍鎳在電鍍鎳的種子層上電鍍鎳，電鍍鎳厚度為50-100μm，得到具有金屬鎳變柵距光柵的電鍍基片；第4步、分離金屬鍍層將有金屬鎳變柵距光柵的電鍍基片放入丙酮內(nèi)，約2-3小時(shí)。溶解掉光刻膠層，使金屬鎳變柵距光柵與平面玻璃基底分離；第5步、鍍鋁用熱蒸發(fā)鍍膜機(jī)在金屬鎳變柵距光柵的變柵距光柵圖形面上鍍鋁，鍍鋁厚度約120nm-150nm，得平面金屬鎳變柵距光柵基片；第6步、平面金屬鎳變柵距光柵基片彎曲成柱面變柵距光柵用膠粘劑將平面金屬鎳變柵距光柵基片粘貼到柱體的柱面上，且變柵距光柵圖形面向外，固化后得柱面變柵距光柵。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱面變柵距光柵的制備方法，其特征在于 所述玻璃基底為光學(xué)玻璃基底。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱面變柵距光柵的制備方法，其特征在于 所述電鍍鎳的工藝條件是在開(kāi)始電鍍一小時(shí)內(nèi)電流密度為5 mA/cm2,然 后將電流密度調(diào)節(jié)到10mA/cm2,電鍍時(shí)間為5小時(shí)-8小時(shí)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱面變柵距光柵的制備方法，其特征在于 所述電鍍鎳所用電鍍?nèi)芤旱某煞莅被撬徭?30g/L,氯化鎳40g/L,硼 酸50 g/L。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱面變柵距光柵的制備方法，其特征在于 所述電鍍鎳厚度均勻，厚度差小于5jim。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在柱面上反射式變柵距光柵的制作，解決了現(xiàn)有絕對(duì)式角度位移傳感器中柱面變柵距光柵的制作難題。具體制作方法在光學(xué)玻璃基底上涂光刻膠，用全息法在光刻膠上制得變柵距光柵圖形；用濺射法在浮雕結(jié)構(gòu)變柵距光柵圖形上鍍鉻和鍍金，再電鍍鎳得到金屬鎳變柵距光柵，用丙酮溶液溶解掉光刻膠層，再鍍鋁得到金屬鎳變柵距光柵基片，最后將金屬鎳變柵距光柵基底彎曲粘附在圓柱面上，固化后得圓柱面變柵距光柵。本發(fā)明方法不要求很高的機(jī)械加工精度來(lái)拋光金屬基底，柱面變柵距金屬光柵的表面精度是由光刻膠光柵表面精度復(fù)制而得，所以能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的表面精度。制造成本低，光柵效率更高。
文檔編號(hào)G01D5/26GK101398315SQ20081019675
公開(kāi)日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2008年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日
發(fā)明者付紹軍, 穎 劉, 劉正坤, 徐向東, 洪義麟 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)