專利名稱：一種曲面結構電場式時柵角位移傳感器微納制造方法
技術領域：
本發明涉及曲面結構電場式時柵角位移傳感器的制造方法，具體為一種曲面結構電場式時柵角位移傳感器微納制造方法。
背景技術：
時柵角位移傳感器是一種基于“時間測量空間”原理來實現精密角位移測量的新型智能傳感器，成功應用于軍事、精密測量、機械加工等領域，是納米數控機床、極大規模集成電路專用設備以及國防軍工特殊需求等超精密高端制造裝備的關鍵功能部件，直接決定和影響著主機的性能。時柵角位移傳感器作為高精度角位移測量器件得到日益廣泛關注，憑借其生產成本低、結構簡單耐用、智能化程度高等顯著優點，占有廣闊的應用市場。曲面結構電場式時柵角位移傳感器是一種基于交變電場的時柵角位移傳感器,包括兩端開口的筒狀測頭基體和圓柱狀的定尺基體，測頭基體內表面在同一水平線上覆有左、右兩個輪廓為半正弦形電極，兩個電極的波峰相向，定尺基體的柱面覆有左、右兩排環形電極，左、右環形電極由均勻間隔環固在定尺基體的柱面的塊狀電極構成，且左、右兩排環形電極的起始位置相差1/2個塊狀電極寬度，同一環形電極上間隔的塊狀電極連成一組；測頭基體和定尺基體分別固定在相對旋轉的裝置上，定尺基體插入測頭基體中，且定尺基體的軸線和測頭基體的軸線重合，然后測頭基體與定尺基體和激勵電路、比相電路等連接，將它們封裝固定，形成曲面結構電場式時柵角位移傳感器。曲面結構電場式時柵角位移傳感器中測頭基體和定尺基體一般采用傳統的機械加工制造，傳統的機械加工會帶來制作精度偏低、特殊結構圖形轉移易失真(圖形結構改變或結構邊緣出現毛刺)等問題。
發明內容
本發明為了解決曲面結構電場式時柵角位移傳感器采用傳統制造帶來的精度低、特殊結構圖形轉移易失真的問題，提供了一種曲面結構電場式時柵角位移傳感器微納制造方法。本發明是米用如下的技術方案實現的一種曲面結構電場式時柵角位移傳感器微納制造方法，包括測頭基體制造方法和定尺基體制造方法，其中測頭基體制造方法包括以下步驟
選取以絕緣體為材料的兩個半筒狀曲面體；
將兩曲面體按照工業標準濕法清洗工藝進行清洗；
在其中一個曲面體的內表面通過磁控濺射工藝沉積電極層，電極層厚度為60(T800nm，電極層的材料為Al、Ag、Au、Pt ；
制備其上有測頭基體電極形狀和電極接線圖案的第一光刻掩膜板，其次在曲面體的電極層表面利用勻膠機旋涂光刻膠，然后進行前烘，勻膠機的甩膠速度為200(T2500r/min，前烘溫度為8(Tl00°C，前烘時間為5 IOmin ；用光刻裝置和遮擋板在曲面體上曝光出測頭基體電極形狀:所述光刻裝置包括光刻機、步進電機、控制器、驅動器、垂直移動平臺和電源，電源分別和步進電機、控制器和驅動器連接，控制器和驅動器都與步進電機連接，步進電機的輸出軸通過連接桿和沉積有電極層的曲面體連接，第一光刻掩膜板固定在垂直移動平臺上，曝光前，調整好第一光刻掩膜板相對于曲面體內表面的高度，遮擋板遮蓋在第一光刻掩膜板的圖案上，且在水平方向上留下條狀的要曝光區域，調整曲面體的位置，使得條狀的要曝光區域和曲面體上的對應曝光區域平行，紫外光通過透光區域照射在曲面體上，這個區域曝光完成后，遮擋板移動，在第一光刻掩膜板上增加條狀的要曝光區域，同時控制器控制步進電機轉動一定角度，使得增加的要曝光區域和曲面體上對應的曝光區域平行，紫外光通過透光區域照射在曲面體上，這個區域曝光完成后，遮擋板移動，在第一光刻掩膜板上增加條狀的要曝光區域，同時控制器控制步進電機轉動一定角度，使得增加的要曝光區域和曲面體上對應的曝光區域平行，紫外光通過透光區域照射在曲面體上……，依次重復，直至完成測頭基體電極的曝光；將曝光后的曲面體浸泡在顯影液中進行顯影，顯影的時間為5(T80s ；
顯影后的曲面體進行堅膜，堅膜溫度為10(Tl4(rC，堅膜時間為l(Tl5min ；
堅膜后的曲面體以光刻膠為掩膜，在腐蝕液中進行濕法腐蝕，腐蝕出曲面體上的測頭基體電極，腐蝕時間為l(Tl5min ；
清洗掉曲面體上測頭基體電極表面上的光刻膠；
測頭基體電極在氮氣氣氛下退火，退火溫度為40(T500°C，退火時間為l(Tl5min ；
將兩個曲面體通過精密裝配組裝在一起，形成筒狀的測頭基體；
定尺基體制造方法包括以下步驟:
選取以絕緣體為材料的圓柱棒； 將圓柱棒按照工業標準濕法清洗工藝進行清洗；
在圓柱棒的柱面通過磁控濺射工藝沉積電極層，電極層厚度可為60(T800nm ；
制備其上有部分定尺基體電極形狀和電極接線圖案的第二光刻掩膜板，其次在圓柱棒的電極層表面利用勻膠機旋涂光刻膠，然后進行前烘，勻膠機的甩膠速度為200(Γ2500ι./min，前烘溫度為8(Tl00°C，前烘時間為5 IOmin ；
用光刻裝置在圓柱棒柱面曝光出定尺基體電極形狀:所述光刻裝置包括光刻機、步進電機、控制器、驅動器、垂直移動平臺和電源，電源分別和步進電機、控制器和驅動器連接，控制器和驅動器都與步進電機連接，步進電機的輸出軸通過連接桿和圓柱棒連接，第二光刻掩膜板固定在垂直移動平臺上，曝光前，調整好第二光刻掩膜板相對于圓柱棒柱面的高度，紫外光先照射圓柱棒柱面的一定區域，這個區域曝光完成后，控制器控制步進電機轉動一定角度nl，曝光圓柱棒柱面的下一個區域，這個區域曝光完成后，控制器再控制步進電機轉動一定角度nl，曝光圓柱棒表面的下一個區域，直至曝光出一組完整的塊狀電極，然后控制器控制步進電機轉動另一個角度n2，進入下一組塊狀電極的曝光區域，控制器控制步進電機以角度nl帶動圓柱棒逐漸曝光，直至這一組塊狀電極光刻完成，然后控制器控制步進電機轉動另一個角度n2，進入下一組塊狀電極的曝光區域……，依次重復，直至完成定尺基體電極的曝光；
將曝光后的圓柱棒浸泡在顯影液中進行顯影，顯影的時間為5(T80s ；
顯影后的圓柱棒進行堅膜，堅膜溫度為10(Tl4(rC，堅膜時間為l(Tl5min ； 堅膜后的圓柱棒以光刻膠為掩膜，在腐蝕液中進行濕法腐蝕，腐蝕出圓柱棒上的定尺基體電極，腐蝕時間為l(Tl5min ；
清洗掉圓柱棒電極表面上的光刻膠；
定尺基體電極在氮氣氣氛下退火，退火溫度為40(T50(TC，退火時間為l(Tl5min，形成
定尺基體。微納制造方法是針對制造對象由宏觀進入到微觀的制造方法，它是在微/納米加工技術和微電子技術的基礎上發展起來的，可以實現高精度、高可靠性器件的制造。將微納制造方法應用到曲面結構電場式時柵角位移傳感器制造領域，可以實現時柵傳感器在宏觀尺度范圍內的亞微米精度周期性單元一致性制造，解決時柵傳感器傳統制造過程中的制造精度偏低、特殊結構圖形轉移易失真等技術難題，為時柵傳感器跨尺度制造與精度調控提供一種新的可靠技術途徑；現有光刻裝置只能在平面上實現光刻，本方法對現有的光刻裝置也做出了改進，在現有光刻裝置的基礎上增加了步進電機和控制裝置，利用了步進電機可控制轉動角度的特點，使得光刻裝置能夠在曲面上實現光刻，且對步進電機的轉動角度做出精細的控制，在制造測定基體過程中，還同時配合對光線的控制，使得光刻出的電極形狀和掩膜板上的電極形狀相同，在制造定尺基體過程中，先控制電機轉軸轉動角度nl，實現在光刻曲面上塊狀電極的規格一樣，再控制電機轉軸轉動另一角度n2,完成其余組電極的光刻；同時對方法中的參數進行了優選，這些參數是研究人員通過多次的實踐得出的，為此，研究人員付出了創造性的勞動。本發明采用微納工藝制造曲面結構電場式時柵角位移傳感器，解決了現有曲面結構電場式時柵角位移傳感器傳統加工過程中制造精度低、特殊結構圖形轉移易失真等技術難題。該方法可以提高加工過程中的制造精度，實現利用微納制造方法來加工曲面結構器件，利用該方法制造的曲面結構電場式時柵角位移傳感器具有精度高、測量范圍大、分辨率高、可靠性好、成本低等特點，適用于納米級精度測量，在精密機械加工、超精密加工、納米技術、航空、航天、國防等基礎產業和高新科技領域有著重要的潛在應用價值。
圖1為曲面體的結構圖。圖2為曲面體沉積電極層后的結構圖。圖3為曲面體旋涂光刻膠后的結構圖。圖4為曲面體曝光時的狀態圖。圖5為濕法腐蝕后的曲面體結構圖。圖6為測頭基體的結構圖。圖7為圓柱棒的結構圖。圖8為圓柱棒沉積電極層后的結構圖。圖9為圓柱棒旋涂光刻膠后的結構圖。圖10為圓柱棒曝光時的狀態圖。圖11為定尺基體的結構圖。圖12為移動式曝光狀態圖。圖中1_曲面體,2-圓柱棒,3-電極層,4-光刻膠,5-第一光刻掩膜板,6-紫外光，7-測頭基體電極，8-第二光刻掩膜板，9-定尺基體電極，A-正在曝光區域，B-下一個曝光區域。
具體實施例方式一種曲面結構電場式時柵角位移傳感器微納制造方法，包括測頭基體制造方法和定尺基體制造方法，其中測頭基體制造方法包括以下步驟:
選取以絕緣體為材料的兩個半筒狀曲面體I ;
將兩曲面體I按照工業標準濕法清洗工藝進行清洗；
在其中一個曲面體I的內表面通過磁控濺射工藝沉積電極層3，電極層3厚度為600 800nm，電極層3的材料為Al、Ag、Au、Pt ；
制備其上有測頭基體電極形狀和電極連線圖案的第一光刻掩膜板5，其次在曲面體I的電極層3表面利用勻膠·機旋涂光刻膠4，然后進行前烘，勻膠機的甩膠速度為200(T2500r/min，前烘溫度為8(Tl00°C，前烘時間為5 IOmin ；
用光刻裝置和遮擋板在曲面體I上曝光出測頭基體電極形狀:所述光刻裝置包括光刻機、步進電機、控制器、驅動器、垂直移動平臺和電源，電源分別和步進電機、控制器和驅動器連接，控制器和驅動器都與步進電機連接，步進電機的輸出軸通過連接桿和沉積有電極層3的曲面體I連接，第一光刻掩膜板5固定在垂直移動平臺上,曝光前,調整好第一光刻掩膜板5相對于曲面體內表面的高度,遮擋板遮蓋在第一光刻掩膜板5的圖案上,且在水平方向上留下條狀的要曝光區域，調整曲面體I的位置，使得條狀的要曝光區域和曲面體I上的對應曝光區域平行，紫外光6通過透光區域照射在曲面體I上，這個區域曝光完成后，遮擋板移動，在第一光刻掩膜板5上增加條狀的要曝光區域，同時控制器控制步進電機轉動一定角度，使得增加的要曝光區域和曲面體I上對應的曝光區域平行，紫外光6通過透光區域照射在曲面體I上，這個區域曝光完成后，遮擋板移動，在第一光刻掩膜板5上增加條狀的要曝光區域，同時控制器控制步進電機轉動一定角度，使得增加的要曝光區域和曲面體I上對應的曝光區域平行，紫外光6通過透光區域照射在曲面體I上……，依次重復，直至完成測頭基體電極7的曝光；
將曝光后的曲面體I浸泡在顯影液中進行顯影，顯影的時間為5(T80s ；
顯影后的曲面體I進行堅膜，堅膜溫度為10(Tl4(rC，堅膜時間為l(Tl5min ；
堅膜后的曲面體I以光刻膠為掩膜，在腐蝕液中進行濕法腐蝕，腐蝕出曲面體I上的測頭基體電極7，腐蝕時間為l(Tl5min ；
清洗掉曲面體I上測頭基體電極7表面上的光刻膠；
測頭基體電極7在氮氣氣氛下退火，退火溫度為40(T50(TC，退火時間為l(Tl5min ； 將兩個曲面體I通過精密裝配組裝在一起，形成筒狀的測頭基體；
定尺基體制造方法包括以下步驟:
選取以絕緣體為材料的圓柱棒2 ；
將圓柱棒2按照工業標準濕法清洗工藝進行清洗；
在圓柱棒2的柱面通過磁控派射工藝沉積電極層3,電極層3厚度可為60(T800nm ；制備其上有部分定尺基體電極形狀和電極接線圖案的第二光刻掩膜板8，其次在圓柱棒2的電極層3表面利用勻膠機旋涂光刻膠4，然后進行前烘，勻膠機的甩膠速度為200(T2500r/min，前烘溫度為8(Tl00°C，前烘時間為5 IOmin ；
用光刻裝置在圓柱棒2柱面曝光出定尺基體電極形狀:所述光刻裝置包括光刻機、步進電機、控制器、驅動器、垂直移動平臺和電源，電源分別和步進電機、控制器和驅動器連接，控制器和驅動器都與步進電機連接，步進電機的輸出軸通過連接桿和圓柱棒2連接，第二光刻掩膜板8固定在垂直移動平臺上，曝光前，調整好第二光刻掩膜板8相對于圓柱棒2柱面的高度，紫外光6先照射圓柱棒2柱面的一定區域，這個區域曝光完成后，控制器控制步進電機轉動一定角度nl，曝光圓柱棒2柱面的下一個區域，這個區域曝光完成后，控制器再控制步進電機轉動一定角度nl，曝光圓柱棒2表面的下一個區域，直至曝光出一組完整的塊狀電極，然后控制器控制步進電機轉動另一個角度n2，進入下一組塊狀電極的曝光區域，控制器控制步進電機以角度nl帶動圓柱棒2逐漸曝光，直至這一組塊狀電極光刻完成，然后控制器控制步進電機轉動另一個角度n2，進入下一組塊狀電極的曝光區域……，依次重復，直至完成定尺基體電極9的曝光；
將曝光后的圓柱棒2浸泡在顯影液中進行顯影，顯影的時間為5(T80s ；
顯影后的圓柱棒2進行堅膜，堅膜溫度為10(Tl4(rC，堅膜時間為l(Tl5min ；
堅膜后的圓柱棒2以光刻膠為掩膜，在腐蝕液中進行濕法腐蝕，腐蝕出圓柱棒上的定尺基體電極9，腐蝕時間為l( Tl5min ；
清洗掉圓柱棒2電極表面上的光刻膠；
定尺基體電極9在氮氣氣氛下退火，退火溫度為40(T50(TC，退火時間為l(Tl5min，形
成定尺基體。
權利要求
1.一種曲面結構電場式時柵角位移傳感器微納制造方法，其特征在于包括測頭基體制造方法和定尺基體制造方法，其中測頭基體制造方法包括以下步驟: 選取以絕緣體為材料的兩個半筒狀曲面體(1)； 將兩曲面體(1)按照工業標準濕法清洗工藝進行清洗； 在其中一個曲面體(1)的內表面通過磁控濺射工藝沉積電極層(3 )，電極層(3 )厚度為600 800nm，電極層(3)的材料為Al、Ag、Au、Pt ； 制備其上有測頭基體電極形狀和電極連線圖案的第一光刻掩膜板(5)，其次在曲面體(O的電極層(3)表面利用勻膠機旋涂光刻膠(4)，然后進行前烘，勻膠機的甩膠速度為2000~2500r/min，前烘溫度為80~l00°C，前烘時間為5 1Omin ； 用光刻裝置和遮擋板在曲面體(1)上曝光出測頭基體電極形狀:所述光刻裝置包括光亥IJ機、步進電機、控制器、驅動器、垂直移動平臺和電源，電源分別和步進電機、控制器和驅動器連接，控制器和驅動器都與步進電機連接，步進電機的輸出軸通過連接桿和沉積有電極層(3)的曲面體(1)連接，第一光刻掩膜板(5)固定在垂直移動平臺上，曝光前，調整好第一光刻掩膜板(5 )相對于曲面體內表面的高度,遮擋板遮蓋在第一光刻掩膜板(5 )的圖案上，且在水平方向上留下條狀的要曝光區域，調整曲面體(1)的位置，使得條狀的要曝光區域和曲面體(1)上的對應曝光區域平行，紫外光(6)通過透光區域照射在曲面體(1)上，這個區域曝光完成后，遮擋板移動，在第一光刻掩膜板(5)上增加條狀的要曝光區域，同時控制器控制步進電機轉動一定角度，使得增加的要曝光區域和曲面體(1)上對應的曝光區域平行，紫外光(6)通過透光區域照射在曲面體(1)上，這個區域曝光完成后，遮擋板移動，在第一光刻掩膜板(5)上增加條狀的要曝光區域，同時控制器控制步進電機轉動一定角度，使得增加的要曝光區域和曲面體(1)上對應的曝光區域平行，紫外光(6)通過透光區域照射在曲面體(1)上……，依次重復，直至完成測頭基體電極(7)的曝光； 將曝光后的曲面體(1)浸泡在顯影液中進行顯影，顯影的時間為50~80s ； 顯影后的曲面體(1)進行堅膜，堅膜溫度為100~l40℃，堅膜時間為l0~l5min ； 堅膜后的曲面體(1)以光刻膠為掩膜，在腐蝕液中進行濕法腐蝕，腐蝕出曲面體(I)上的測頭基體電極(7)，腐蝕時間為l0~l5min ； 清洗掉曲面體(1)上測頭基體電極(7)表面上的光刻膠； 測頭基體電極(7)在氮氣氣氛下退火，退火溫度為400~500℃，退火時間為l0~l5min ； 將兩個曲面體(1)通過精密裝配組裝在一起，形成筒狀的測頭基體； 定尺基體制造方法包括以下步驟: 選取以絕緣體為材料的圓柱棒(2)； 將圓柱棒(2)按照工業標準濕法清洗工藝進行清洗； 在圓柱棒(2)的柱面通過磁控濺射工藝沉積電極層(3)，電極層(3)厚度可為600 800nm ； 制備其上有部分定尺基體電極形狀和電極接線圖案的第二光刻掩膜板(8)，其次在圓柱棒(2)的電極層(3)表面利用勻膠機旋涂光刻膠(4)，然后進行前烘，勻膠機的甩膠速度為2000~2500r/min，前烘溫度為80~l00°C，前烘時間為5 1Omin ； 用光刻裝置在圓柱棒(2)柱面曝光出定尺基體電極形狀:所述光刻裝置包括光刻機、步進電機、控制器、驅動器、垂直移動平臺和電源，電源分別和步進電機、控制器和驅動器連接，控制器和驅動器都與步進電機連接，步進電機的輸出軸通過連接桿和圓柱棒(2)連接，第二光刻掩膜板(8)固定在垂直移動平臺上，曝光前，調整好第二光刻掩膜板(8)相對于圓柱棒(2)柱面的高度，紫外光(6)先照射圓柱棒(2)柱面的一定區域，這個區域曝光完成后，控制器控制步進電機轉動一定角度nl，曝光圓柱棒(2)柱面的下一個區域，這個區域曝光完成后，控制器再控制步進電機轉動一定角度nl，曝光圓柱棒(2)表面的下一個區域，直至曝光出一組完整的塊狀電極，然后控制器控制步進電機轉動另一個角度n2，進入下一組塊狀電極的曝光區域，控制器控制步進電機以角度nl帶動圓柱棒(2)逐漸曝光，直至這一組塊狀電極光刻完成，然后控制器控制步進電機轉動另一個角度n2，進入下一組塊狀電極的曝光區域……，依次重復，直至完成定尺基體電極(9)的曝光； 將曝光后的圓柱棒(2)浸泡在顯影液中進行顯影，顯影的時間為5(T80s ； 顯影后的圓柱棒(2)進行堅膜，堅膜溫度為10(Tl4(rC，堅膜時間為l(Tl5min ； 堅膜后的圓柱棒(2)以光刻膠為掩膜，在腐蝕液中進行濕法腐蝕，腐蝕出圓柱棒上的定尺基體電極(9)，腐蝕時間為l (Tl5min ； 清洗掉圓柱棒(2)電極表面上的光刻膠； 定尺基體電極(9)在氮氣氣氛下退火，退火溫度為40(T50(TC，退火時間為l(Tl5min，形成定尺基體。
全文摘要
本發明涉及曲面結構電場式時柵角位移傳感器的制造方法，具體為一種曲面結構電場式時柵角位移傳感器微納制造方法，包括測頭基體制造方法和定尺基體制造方法，本發明采用微納工藝制造曲面結構電場式時柵角位移傳感器，解決了現有曲面結構電場式時柵角位移傳感器傳統加工過程中制造精度低、特殊結構圖形轉移易失真等技術難題。該方法可以提高加工過程中的制造精度，實現利用微納制造方法來加工大尺寸曲面結構器件，利用該方法制造的曲面結構電場式時柵角位移傳感器具有精度高、測量范圍大、分辨率高、可靠性好、成本低等特點。
文檔編號B81C3/00GK103075954SQ201210573818
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月26日 優先權日2012年12月26日
發明者丑修建, 張文棟, 薛晨陽, 田英, 許卓, 薛彥輝 申請人:中北大學