一種新型楔形膜在真空中的制作方法及測(cè)試結(jié)果
提出了一種新型楔形膜在真空中的制作方法，可以替代白光干涉位移傳感器中的關(guān)鍵元件。該方法采用兩層復(fù)制技術(shù)，用有機(jī)材料SU8 膠作為楔形膜中間的材料。同時(shí)，搭建了白光干涉位移傳感器系統(tǒng)，對(duì)制作的楔形膜進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該解調(diào)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性及較高的測(cè)量精度。
在白光干涉位移傳感器中，關(guān)鍵元件是楔形膜。目前現(xiàn)有的制作光楔的技術(shù)有兩種。
第一種，采用鍍介質(zhì)膜的方法制作楔形膜。該方法的工藝過程是：首先，在光學(xué)基板上鍍制高反膜，然后在高反膜上鍍楔形介質(zhì)膜，最后在介質(zhì)膜上鍍一層半透半反膜，從而形成斐索干涉儀中楔形膜。缺點(diǎn)是：
①鍍厚度在5 μm~40 μm 間線性變化的介質(zhì)膜，其控制難度大，成功率低;
�、诤穸容^厚的介質(zhì)膜由鍍膜機(jī)的真空環(huán)境中取出時(shí)，在空氣中受到濕度和內(nèi)應(yīng)力的影響，容易產(chǎn)生褶皺而損壞;
③鍍制介質(zhì)膜的設(shè)備昂貴，鍍40 μm 的介質(zhì)膜需要20 h 以上，制作成本較高。
第二種，利用兩個(gè)單面鍍制有半透半反膜的光學(xué)基板，基板一端用一定厚度的間隔裝置，另一端直接接觸，形成楔形空氣腔。此方法雖然簡單，但為了保證楔形空腔的厚度和位置的線性關(guān)系，兩個(gè)光學(xué)基板的鍍膜面必須有較好的面型，而基板厚度是保證面型的基礎(chǔ)，這就增加了空間尺寸。同時(shí)，兩個(gè)面要求加工出較高的面型，這大大增加了制作成本。
本方法將采用一種模板復(fù)制技術(shù)，這樣，光學(xué)基片不需要有很高的面型要求，只需把模板的面型做到0.1 個(gè)波長，通過兩次壓印復(fù)制技術(shù)，使楔形膜上下兩個(gè)表面的面型與模板一致，保證了楔形膜的厚度變化為線性變化。同時(shí)相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)二，降低了光學(xué)基板的加工成本，減小了基板的厚度，即減小了楔形膜的空間尺寸。
采用目前常用的有機(jī)材料SU8 膠作為楔形膜中間的材料，替換了現(xiàn)有技術(shù)中采用鍍介質(zhì)膜的方法，不需要鍍介質(zhì)膜的專用設(shè)備，大大降低了成本。
1、新型楔形膜的基本制作步驟
新型楔形膜的基本制作步驟主要分為：壓印準(zhǔn)備、壓印及紫外固化、脫模、堅(jiān)膜、鍍反射膜、壓楔形、鍍半透半反膜等七個(gè)步驟。
(1)壓印準(zhǔn)備
基片采用K9 玻璃，模板是石英玻璃(1/10 波長面型)，分為基片清洗、模板與基片的表面改性、涂膠、前烘。
圖1 楔形膜的制作流程圖
(2)壓印及紫外固化
目的是復(fù)制模板的面型。具體操作如下：將壓印模板壓在表面具有SU-8 膠的K9 玻璃基底上， 在真空烘箱中以100℃烘烤10 min 之后，SU-8 光刻膠受熱軟化。向壓印模板施加2 MPa的壓印壓力，使得壓印模板壓入SU-8 光刻膠。保持100℃壓印溫度及2 MPa 壓印壓力120 min，待壓印結(jié)束后自然冷卻。此時(shí)，壓印模板、SU-8 光刻膠以及K9 玻璃基底會(huì)結(jié)合在一起。通過透光的壓印模板對(duì)SU-8 光刻膠進(jìn)行紫外曝光，對(duì)曝光后的SU-8 光刻膠進(jìn)行后烘使得SU-8 光刻膠會(huì)發(fā)生交聯(lián)。后烘溫度為100℃，時(shí)間為40 min。
(3)脫模
自然冷卻后，脫模。這樣，模板的面型已經(jīng)復(fù)制在基片上。
(4)堅(jiān)膜
復(fù)制有模板面型的基片放在烘箱中烘烤10 min，溫度為150℃。
(5)鍍反射膜
在第一次壓印后的SU8 表面鍍反射膜，如圖1(B)所示。
(6)壓楔形
如步驟(1)所述，在基片上旋涂SU-8，經(jīng)過前烘等若干步驟，然后在基片的一端墊一個(gè)所需楔形膜厚度的精密量片，壓制楔形，如圖1(C)所示。條件跟前面的一樣。
(7)鍍半透半反膜
在楔形膜的表面用離子束濺射鍍膜機(jī)鍍Cr，厚度根據(jù)優(yōu)化的反射率來鍍制，如圖1(D)所示。上面的幾個(gè)步驟組成了整個(gè)楔形膜的制作過程。
小結(jié)
利用制作的楔形膜搭建了白光干涉位移傳感器系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，誤差在±30 μm，具有較高的測(cè)量精度。
