[發(fā)明專利]一種激光微結(jié)構(gòu)高效加工及精密測量的方法和裝置

有效

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• 申請日: 2022-04-18
• 公開（公告）號: CN114654092B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙維謙;全宏升;劉超;邱麗榮;徐可米
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;B23K26/352
• 代理公司: 北京正陽理工知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 張利萍

本發(fā)明公開的一種激光微結(jié)構(gòu)高效加工及精密測量的方法和裝置，屬于激光加工及精密監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在Z方向進(jìn)行定焦和測量時(shí)，通過一對標(biāo)準(zhǔn)激光干涉儀鏡組模塊對稱分布放置在Z向氣浮運(yùn)動軸模塊中心的兩側(cè)，一方面能夠有效避免運(yùn)動傳感器的阿貝誤差；另一方面，相對于單個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)激光干涉儀鏡組模塊，成對出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)激光干涉儀鏡組模塊將會對軸向運(yùn)動的微小位移進(jìn)行放大，有效的減小微位移測量誤差，提高Z向加工和監(jiān)測的精度。同時(shí)利用抗表面傾角變化和散射的激光差動共焦定模塊來實(shí)現(xiàn)Z向定焦和監(jiān)測。本發(fā)明能夠同步實(shí)現(xiàn)對激光微結(jié)構(gòu)的加工及精密測量，且能夠提高位移傳感誤差精度，進(jìn)而提高三維激光微結(jié)構(gòu)的加工精度和測量精度。本發(fā)明還具有如下優(yōu)點(diǎn)：整體結(jié)構(gòu)魯棒性強(qiáng)、穩(wěn)定性高，抗外界撞擊擾動。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光精密加工及光學(xué)精密監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種提高位移傳感誤差精度實(shí)現(xiàn)激光微結(jié)構(gòu)高效加工及精密測量的方法和裝置。

背景技術(shù)

科技發(fā)展的突飛猛進(jìn)，使人們的認(rèn)知迅速進(jìn)入了微觀世界，微納制造技術(shù)的不斷更新迭代以及加工工藝的提升，小型化、緊促型、多功能及低功耗的微納器件已經(jīng)逐漸出現(xiàn)并發(fā)揮著極其重要的作用，人造皮膚、可穿戴系統(tǒng)、微型手術(shù)機(jī)器人等以微納元件為基礎(chǔ)的微納系統(tǒng)已經(jīng)深入到人們生活的方方面面。然而微納制造中精細(xì)加工、監(jiān)測手段的不足和單一化，限制了微納制造器件尺寸精度和器件性能的進(jìn)一步提升。激光加工因其加工精細(xì)度高，材料適應(yīng)性廣，非掩模的加工技術(shù)，因此在加工復(fù)雜微器件樣品結(jié)構(gòu)方面具有重要作用。微器件結(jié)構(gòu)的精細(xì)加工取決于對加工原理的理解以及加工工藝的提升，而加工工藝的提升重要依賴于精密的微位移控制和加工過程中微結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)的實(shí)時(shí)原位測量。因此，提高精密的微位移控制和加工過程中微結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)的實(shí)時(shí)原位測亟待解決。

目前，精密的微位移控制裝置主要分為基于電容傳感器的位移臺以及伺服電機(jī)位移驅(qū)動控制模塊裝置，電容傳感器的位移臺受到非線性誤差影響，因此精度受到一定制約，此外它的整體位移行程又比較短，因此對于大尺度的微器件加工并不適用。伺服電機(jī)位移驅(qū)動控制模塊裝置可以通過納米級的驅(qū)動控制模塊單元實(shí)現(xiàn)納米級驅(qū)動，但是他同樣存在非線性誤差以及實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋位置的光柵尺等外部誤差影響。

綜上所述，可以通過高精密的微位移測量裝置實(shí)現(xiàn)對基于電容傳感器的位移臺以及伺服電機(jī)位移驅(qū)動控制模塊裝置的閉環(huán)控制并反饋到上位機(jī)做進(jìn)一步處理和補(bǔ)償。此外，在加工過程中實(shí)現(xiàn)待加工器件的原位幾何參數(shù)測量并實(shí)時(shí)反饋上位機(jī)做加工參數(shù)修正顯得極為重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的是提供一種激光微結(jié)構(gòu)高效加工及精密測量的方法和裝置，能夠同步實(shí)現(xiàn)對激光微結(jié)構(gòu)的加工及精密測量，且能夠提高位移傳感誤差精度，進(jìn)而提高三維激光微結(jié)構(gòu)的加工精度和測量精度。本發(fā)明還具有如下優(yōu)點(diǎn)：整體結(jié)構(gòu)魯棒性強(qiáng)、穩(wěn)定性高，抗外界撞擊擾動。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明在Z方向進(jìn)行定焦和測量時(shí)，通過一對標(biāo)準(zhǔn)激光干涉儀鏡組模塊對稱分布放置在Z向氣浮運(yùn)動軸模塊中心的兩側(cè)，一方面能夠有效避免運(yùn)動傳感器的阿貝誤差；另一方面，成對出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)激光干涉儀鏡組模塊將會對Z向運(yùn)動的微小位移進(jìn)行放大，有效的減小位移誤差，提高Z向加工和監(jiān)測的精度。

同時(shí)采用穩(wěn)定性好的龍門結(jié)構(gòu)，并利用運(yùn)動控制模塊和標(biāo)準(zhǔn)激光干涉儀及其鏡組模塊，通過對載物臺上的高精度L形標(biāo)準(zhǔn)平晶的反射光探測計(jì)算后由上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)動控制和誤差補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對X/Y向氣浮運(yùn)動軸模塊的運(yùn)動姿態(tài)的精確調(diào)整和定位，實(shí)現(xiàn)X/Y平面內(nèi)的高精度微位移移動。同時(shí)利用抗表面傾角變化和抗散射變化的激光差動共焦定焦模塊進(jìn)行Z向位置探測，實(shí)現(xiàn)微尺度器件的高精度加工和測量。

本發(fā)明公開的一種激光微結(jié)構(gòu)高效加工及精密測量的方法，包括以下步驟：