在光纖上制造微球探針的實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、 在光纖上制造微球探針的實(shí)驗(yàn)報(bào)告摘要 許多微孔和溝槽的側(cè)壁通過(guò)當(dāng)前光學(xué)或非接觸式測(cè)量?jī)x器不易衡量，因此微觸探測(cè)器在市場(chǎng)上有越來(lái)越多的要求。一個(gè)好的球形探針是非接觸測(cè)量結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。本文提出了一種低成本和在鎢絲尖端制造微球的在線系統(tǒng)，這種系統(tǒng)主要是使光纖融化器的?；陔娀》烹娔芰课盏脑瓌t和表面張x力現(xiàn)象,形微球在光纖尖端形成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù),如電弧,清潔電弧功率補(bǔ)償,和清洗時(shí)間,直徑為300微米，圓度誤差為6微米的球體可以在直徑為125微米的的單模光纖上形成。在球體形成的過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)鎢絲?？梢砸种魄蛑行暮凸饫w維中心的偏心距，使其不到3微米。通過(guò)在尖端光學(xué)纖維尖端直接形成球形探頭

2、，這種方法演示了一個(gè)簡(jiǎn)單的進(jìn)程內(nèi)尺寸控制方法縮短生產(chǎn)期，使其成為為3 d微探針。探針可用于微尺度/納米坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(機(jī))來(lái)提高測(cè)量分辨率和擴(kuò)展微型物體能力。關(guān)鍵詞:微球探針、光學(xué)纖維,纖維融合,進(jìn)程內(nèi)測(cè)量1.介紹 盡管許多一維納米測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)和商業(yè)化,在過(guò)去的十年超高精密三維表面測(cè)量技術(shù)一直在重視研究。有相當(dāng)多的光學(xué)分析器3 d的能力作者任何信件都應(yīng)該向誰(shuí)解決。非接觸式測(cè)量的分辨率納米,如眾所周知的白光干涉儀和全息數(shù)字顯微鏡1。這些設(shè)備無(wú)法應(yīng)對(duì)高縱橫比的側(cè)壁幾何測(cè)量微孔、溝槽、邊緣。接觸的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成式微型/納米尺度的三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(3 d CMM)已成為越來(lái)越重要,和發(fā)展因此成為一

3、個(gè)新的研究領(lǐng)域,由于需要測(cè)量微小部分。這種三坐標(biāo)需要比傳統(tǒng)大規(guī)模3 d機(jī)更高的測(cè)量精度和分辨率。微觸發(fā)探測(cè)器的設(shè)計(jì)和制造成為實(shí)現(xiàn)測(cè)量能力的關(guān)鍵因素。雖然MEMS過(guò)程可以制造不同的微觀結(jié)構(gòu),他們永遠(yuǎn)不能用當(dāng)前的技術(shù)制造一個(gè)完整的微球。一個(gè)可行的方法是使用一層一層地micro-electro放電加工(EDM)方法制造復(fù)雜的3 d部分和微探針(3、4),但這是非常耗時(shí)的,由于放電坑表面光潔度粗糙?；诒砻鎻埩υ恚圃煳⑿颓蝮w探針、探測(cè)微電火花的新方法近期已經(jīng)提出了。但幾何精度還不能滿足測(cè)量要求。在光纖尖端上直接制造，使其形成單一的組織作為一個(gè)特定的傳感器是另一個(gè)可能的方法7。這種光纖探針可以被制造

4、的一非常小的尺寸,使用其偏轉(zhuǎn)效應(yīng)檢測(cè)到CCD(8、9)或光纖布喇格光柵(fbg)10，允許測(cè)量微孔。一個(gè)好的光纖探針的制造過(guò)程還不清楚。通常這是公司機(jī)密信息。 本文新方法利用商業(yè)光纖熔接器的清潔特性制作微型球，提示直接在光纖和直接監(jiān)測(cè)球的形成幾何對(duì)纖維桿將詳細(xì)描述。最優(yōu)處理策略也被確認(rèn),涉及到電弧功率的選擇,清潔電弧功率補(bǔ)償,清洗時(shí)間控制球的直徑和圓度。的補(bǔ)償?shù)窒蛐雾敳恐行牡木嚯x從纖維中央行也通過(guò)旋轉(zhuǎn)放電周期之間的纖維。提出了相關(guān)的試驗(yàn)裝置。2.實(shí)驗(yàn)2.1。實(shí)驗(yàn)方法本研究采用由美國(guó)康寧有限公司SMF-28e模型制造的單模玻璃纖維制造球型尖端。玻璃纖維芯的材料是一個(gè)含有99.999%的Si2的

5、玻璃材料。核心被包層包圍，然后包層被PVC涂層覆蓋著。尺寸如圖1所示。熔覆層和核心在光纖的成型過(guò)程中緊密的連在一起,這樣他們不分離。因此,裸露的纖維桿直徑為125微米。大多數(shù)纖維融合連接工具提供了清潔特性在融合入加工操作之前來(lái)清潔纖維面,同時(shí)還具有一個(gè)弧檢查功能優(yōu)化拼接條件11。在這項(xiàng)研究中商業(yè)光纖熔接器的清潔特性是用來(lái)制造微探針。探針的幾何輪廓和尺寸測(cè)量使用一個(gè)圖像視覺(jué)坐標(biāo)測(cè)量核心直徑:8.2 微米包層直徑:125.0±0.7微米點(diǎn)涂層直徑:245±5微米圖1所示：?jiǎn)文９饫w的成分和尺寸。2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置和程序在這項(xiàng)研究中使用的光纖熔接器是 由日本Furukawa電氣有限公

6、司制造的FITEL S199S模型單光纖熔接器。融合過(guò)程的參數(shù)是:(1)放電電壓,電流,頻率;(2)電極參數(shù),如材料、形狀和長(zhǎng)度的差距;(3)外部條件,如氣體,壓力,溫度,濕度,氣體流動(dòng)12。此外,纖維尖端相對(duì)于電極的位置對(duì)光纖吸收能量也是很關(guān)鍵的13。因?yàn)檫@個(gè)連接工具已經(jīng)成立的方式拼接結(jié)果優(yōu)化,只有有限的參數(shù)如放電時(shí)間、放電強(qiáng)度,纖維和放電電極之間的距離可以在實(shí)驗(yàn)中改變。所使用的電極是由直徑為2毫米的鎢絲制成,成30°角頂角和4毫米的電極間距。放電環(huán)境溫度是正常的室溫。最優(yōu)結(jié)果可以通過(guò)調(diào)整上述參數(shù)得到。在這項(xiàng)研究中使用的是單模光纖。 為了有效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如圖2所示(一個(gè)),原來(lái)的系

7、統(tǒng)配置,修改了添加一個(gè)XY定位階段和旋轉(zhuǎn)階段實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置,如圖2所示(b)。 在光纖上進(jìn)行球形尖端成型的標(biāo)準(zhǔn)操作由三個(gè)步驟組成。首先,在纖維制備過(guò)程中,使用纖維脫模脫去部分纖維涂層;用浸泡了變性酒精的棉花擦纖維,從而去除附著在纖維上的涂層芯片;然后用纖維刀粘住纖維。第二,在纖維加工過(guò)程中,打開(kāi)連接工具，纖維夾持器和纖維夾的擋風(fēng)玻璃;準(zhǔn)備纖維加載到左邊的持有人(見(jiàn)圖2(b)剝奪了一部分的v型槽,確保纖維是否正確設(shè)置在關(guān)閉之前的v型槽纖維支架?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整XY段。纖維夾關(guān)閉之后，把持住v型槽上的纖維。一旦正確加工纖維,擋風(fēng)玻璃就關(guān)閉,同時(shí)連接工具準(zhǔn)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最后,在形成過(guò)程中,通過(guò)設(shè)置電話強(qiáng)度,

8、清洗電弧功率偏移和清洗時(shí)間,微型球就可以制造好了。 圖2 試驗(yàn)裝置。(a)原始纖維連接工具配置。(b)修改實(shí)驗(yàn)配置。 進(jìn)行精密測(cè)量所需的良好的球形探頭需要三個(gè)關(guān)鍵特征:均勻球直徑、圓度好,球?qū)U中心的偏移距離。前兩個(gè)維度可以通過(guò)控制電弧放電參數(shù)調(diào)節(jié),而偏距的影響主要是由于重力作用在球的形成。因此,利用纖維交替旋轉(zhuǎn)180°與纖維軸的彎曲來(lái)彌補(bǔ)探針小球的彎曲。2.3.進(jìn)程內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)微型三維文件通?？梢酝ㄟ^(guò)一個(gè)概要文件干涉儀測(cè)量,如白光干涉儀或全息干涉儀。由于干涉圖的分辨率限制,該技術(shù)只能測(cè)量一個(gè)球體的頂部,如顯微鏡頭或纖維小球表面輪廓(14、15)。為了監(jiān)測(cè)逐步的增長(zhǎng)和控制整個(gè)微型球質(zhì)量

9、,本實(shí)驗(yàn)采用二維圖像系統(tǒng)。由PULNIX Inc .TM-7CN模型制造的ccD相機(jī),768 x 494像素,而此CCD相機(jī)安裝在連接工具套件上。變焦鏡頭多達(dá)5.25倍放大從OPTEM co .)它可以延長(zhǎng)工作距離至80 mm和降低視野0.9毫米x 1.2毫米,這樣每個(gè)像素對(duì)應(yīng)于約1.87 微米。要點(diǎn)數(shù)據(jù)是通過(guò)1 x 15掩模平滑技術(shù)和高斯的拉普拉斯算法算出的,而邊緣檢測(cè)是由零交點(diǎn)計(jì)算點(diǎn)的二階微分灰色水平跨越邊界算出來(lái)的。這種圖像處理技術(shù)可以產(chǎn)生快速計(jì)算時(shí)間和十分之一亞像素分辨率(0.19微米)，從而來(lái)確定每個(gè)測(cè)量邊界點(diǎn)的坐標(biāo)。 每個(gè)電弧清洗周期,球形的直徑和圓度,球和纖維筆中心之間的偏移量,

10、以90°的夾角監(jiān)測(cè)纖維軸,這樣微探針的形狀可以記錄在制造過(guò)程中。這個(gè)進(jìn)程內(nèi)維控制系統(tǒng)配置如圖3所示。 圖3.進(jìn)程內(nèi)球形探頭形成系統(tǒng)。 電弧清洗周期圖4。球齒頂圓直徑系和電弧清洗周期的數(shù)量之間的關(guān)系;電弧功率:230,清洗電弧功率補(bǔ)償:230,清洗時(shí)間:6000 微秒。3.結(jié)果3.1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果纖維吸收放電功率的電弧從而瞬間融化。由于表面張力,融化的部分纖維開(kāi)始提在凝固期間形成一個(gè)球形形狀。隨著球形逐漸變大,使得球體拉伸至重力場(chǎng)。這將導(dǎo)致一個(gè)球形的下垂,因此造成球體的中心和中央的纖維筆之間的偏移距離的增大。圖4顯示了當(dāng)所有其他參數(shù)都是固定時(shí)，球形的直徑和電弧清洗周期的數(shù)量間的關(guān)系?？吹降?/p>

11、是直徑隨著清潔的循環(huán)次數(shù)增加而增加。 重力的影響可以針對(duì)前面球面的偏移方向提示進(jìn)行檢測(cè)，隨后通過(guò)180°對(duì)周圍的纖維軸旋轉(zhuǎn)最小化。然而,由于所需能量仍然太大,導(dǎo)致球體尖端再次轉(zhuǎn)向重力場(chǎng)。如果保持電話清洗循環(huán)不變，僅僅通過(guò)旋轉(zhuǎn)纖維，不能將偏移量消除。這種過(guò)度補(bǔ)償現(xiàn)象如圖5所示,(a)展示了一個(gè)周期后的尖端彎曲的電弧放電過(guò)程中,(b)顯示了在原始彎曲在旋轉(zhuǎn)180之后的圖像(c)展示了在位置b進(jìn)行電弧釋放之后的過(guò)度補(bǔ)償?shù)膱D像。所有的數(shù)據(jù)是每個(gè)電弧放電過(guò)程的纖維被旋轉(zhuǎn)90°后得到的側(cè)視圖像。 圖5.過(guò)度補(bǔ)償現(xiàn)象(側(cè)視圖像)。 換句話說(shuō),如果一個(gè)較低的放電功率被設(shè)置是為了控制融化的質(zhì)

12、量,那么尖端將不會(huì)很明顯的彎曲。這可以減少球體的中心和纖維中央線之間的距離。然而,即使每次放電周期后使纖維旋轉(zhuǎn)180°,也會(huì)產(chǎn)生不可接受的探針。如圖6所示。這是由于這樣的事實(shí):在尖端和莖桿之間有一個(gè)逐漸凝固段,從而提示形狀類似于一個(gè)液滴,而不是一個(gè)球體。 圖6.不可接受的“液滴”形狀。 為了補(bǔ)償之前的周期的彎曲,必須調(diào)整相應(yīng)的參數(shù),以便偏移量可以完全被消除。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和調(diào)查這一現(xiàn)象后,大量的實(shí)驗(yàn)都被調(diào)整了工藝參數(shù)。一個(gè)最優(yōu)處理策略也產(chǎn)生了。方法是通過(guò)應(yīng)用較高電弧功率、大清洗電弧功率補(bǔ)償、較長(zhǎng)的清洗時(shí)間先做一個(gè)需的直徑和圓度球體，然后應(yīng)用低的電弧功率,小清潔電弧功率補(bǔ)償,縮短清洗時(shí)間

13、進(jìn)行補(bǔ)償。 圖7.纖維的圖像。 表1.實(shí)驗(yàn)參數(shù)的值。3.2.測(cè)量結(jié)果此方法已經(jīng)被應(yīng)用于制造大量的探針。圖7顯示了在四個(gè)角位置探測(cè)纖維的一個(gè)圖像,同時(shí)在表2中還有相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果總結(jié)。圓度是常用的計(jì)量術(shù)語(yǔ)。它的數(shù)值方法是找到的最小二乘圓環(huán)形數(shù)據(jù)采樣。peak-to-valley距離的抽樣數(shù)據(jù)對(duì)擬合圓的圓度誤差被定義為測(cè)量圓形物體的圓度誤差。表2.在不同旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行球體測(cè)量的結(jié)果。 很明顯,下垂的探針針尖和彎曲的纖維明顯減少,過(guò)度補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)象不會(huì)再次出現(xiàn)。這意味著此方法在某種程度上做的工作,現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器可以處理。雖然測(cè)量結(jié)果表明,由于不準(zhǔn)確的手動(dòng)控制纖維旋轉(zhuǎn)彎曲,和由于溫度不均勻引起的纖維殘余應(yīng)力的

14、圓度誤差,尚未完全消除。實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)和更好的控制方案將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)改善抵消偏移量和球形尖端的圓度。4.討論 在測(cè)量不同直徑的孔或槽時(shí)需要不同大小的探針。根據(jù)微小部分的精度要求,探測(cè)器的幾何誤差也將需要不同程度的等級(jí)。典型目標(biāo)的圓度值和實(shí)際調(diào)查要求抵消錯(cuò)誤將小于1微米,甚至更好。如第一節(jié)所述,一個(gè)好的光纖探針的制造過(guò)程對(duì)制造商保密的。微纖維球探針的市場(chǎng)價(jià)格非常高,每件訂單的價(jià)格大約是800歐元(例如,Werth有限公司,德國(guó)世界糧食計(jì)劃署的光纖探針)。目前的工作揭示了制造一個(gè)類似非常低的成本的探針的可行性,但準(zhǔn)確性沒(méi)有被滿足。進(jìn)一步的調(diào)查重點(diǎn)是為了更好的過(guò)程的控制連接工具的改進(jìn)，采用田口方法進(jìn)行

15、控制參數(shù)的最優(yōu)組合的推導(dǎo),優(yōu)化放電環(huán)境,探針的特征。此外,類似于“微準(zhǔn)重力效應(yīng)”的概念,應(yīng)用磁場(chǎng)補(bǔ)償水平旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電材料的化學(xué)汽相淀積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)過(guò)程17重力下降,纖維球下降可能會(huì)被排出的氣流可能補(bǔ)償。我們期待,一個(gè)可靠和具有成本效益的探針可以實(shí)現(xiàn)微/納米CMM的應(yīng)用程序。5.結(jié)論這個(gè)研究表明利用商用光纖熔接器在光學(xué)纖維上制造微型球體探針的可行性。由于工作參數(shù)的正確選擇,我們可以提出一個(gè)優(yōu)化處理策略，從而可以生產(chǎn)一個(gè)好的微球尖端。所需的方案首先要專注于通過(guò)應(yīng)用高的電弧功率,大清洗電弧功率補(bǔ)償,長(zhǎng)得清洗時(shí)間，來(lái)制造一個(gè)所需直徑和圓度的球型尖端。然后集中于通過(guò)應(yīng)用電弧功率低,小清潔電弧功率補(bǔ)償,縮短清洗時(shí)間來(lái)補(bǔ)償?shù)窒捎谥亓Ξa(chǎn)生的偏移。研究還揭示了旋轉(zhuǎn)控制纖維的重要性的和纖維的溫度分布。不同的參數(shù)設(shè)置會(huì)產(chǎn)生不同形狀的微探針。與表1中指定的參數(shù)的組合,一個(gè)最優(yōu)的微探針取得經(jīng)過(guò)五個(gè)清洗周期。一個(gè)進(jìn)程內(nèi)維控制系統(tǒng)也被應(yīng)用于在線測(cè)量探頭的幾何測(cè)量,大約0.19