一种微纳米测量设备用高精度高灵敏弹性簧片的制作方法与流程

本发明涉及微纳米测量设备所需弹性簧片的制作领域，特别是涉及到微纳米测量探头弹性簧片的制作领域。
背景技术：
：在微纳测量领域，有许多微小量需要测量，如微尺寸、微位移、微振动、微应变等。而弹性簧片是微小量测量仪的关键零件，常被用来感测信号进行传递、转换、放大等。弹性簧片的精度(如尺寸精确度、边缘整齐度、表面平整度等)和灵敏度直接影响微小量测量仪的精度、灵敏度、分辨率的指标。如微纳米三坐标测量机的探头由弹性机构和三维传感器两部分组成，弹性机构由测球、测杆、悬浮片、平面反射镜、弹性簧片组成，在测量的时候，测球在三维方向上的位移通过弹性簧片的变形转换成平面反射镜的位移或转角变化，再通过三维传感器感测反射镜的角度和位移变化，最后经过信号处理得出最终测量结果。为了满足微小量的测量要求，弹性簧片要满足以下要求：第一，在加工过程中不能受力发生变形；第二，不能承受高温产生热应力；第三，簧片边缘要整齐，簧片表面要平整；第四，簧片要小要轻薄；第五，制作工艺尽可能简单；第六，能够加工复杂图案的弹性簧片。目前加工微小元器件常用的加工方式有线切割加工、MEMS制造工艺、光刻技术等，这些加工方式都存在一定不足。线切割加工存在以下不足：1、线切割加工在加工很薄的工件时会产生抖动，影响加工精度；2、加工过程中容易产生变形，影响尺寸精度；3、加工过程会产生高温，影响弹性簧片性能；4、加工成本高，不易加工复杂图案等。MEMS制造工艺起源于半导体和微电子工艺，是以光刻、外延、薄膜淀积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、刻蚀、划片和封装等为基本工艺步骤来制造复杂三维形体的微加工技术。MEMS制造工艺存在以下不足：1、加工成本高；2、加工效率低下；3、工艺复杂不易操作。光刻技术是加工制造集成电路图形结构以及微结构的关键工艺之一。光刻工艺就是利用光敏的抗蚀涂层发生光化学反应，结合腐蚀方法在各种薄膜或硅上制备出合乎要求的图形，以实现制作各种电路元件、选择掺杂、形成金属电极和布线或表面钝化的目的。光刻技术存在以下不足：1、设备昂贵，成本高；2、工艺复杂不易操作；3、刻蚀效率低。技术实现要素：本发明的目的在于提出一种新的微纳米测量设备用高精度高灵敏弹性簧片的制作方法，旨在克服现有加工方式中的不足，提高弹性簧片的加工质量。本发明解决技术问题，采用如下技术方案：本发明微纳米测量设备用高精度高灵敏弹性簧片的制作方法，包括以下步骤：(1)设计图案：根据需要设计弹性机构图案；(2)菲林片打印：用菲林打印机将弹性机构图案打印到菲林片上，设置弹性机构图案部分为负色；(3)铍铜片表面处理：根据弹性机构图案大小裁剪铍铜片，然后用水磨砂纸打磨裁剪后铍铜片的两面，并在打磨后擦拭掉表面的粉末；再将打磨后铍铜片放入表面打磨液中浸泡，取出后用清水冲洗并擦干；(4)贴覆感光膜：撕掉感光膜一面的保护膜，将感光膜均匀的贴于铍铜片的正反两面，过程中避免产生气泡；(5)加固感光膜：将贴有感光膜的铍铜片放到电熨斗或其他加热设备上加热，使感光膜牢固的贴于铍铜片上；(6)曝光：将打印好的菲林片放于铍铜片的正面，并使菲林片上打印有弹性机构图案的一面与感光膜紧密接触，然后用玻璃板将铍铜片和菲林片夹紧；将铍铜片正面朝上，用紫外灯照射进行曝光，然后去掉菲林片，再用紫外灯照射铍铜片的反面以实现曝光；(7)显影：撕掉感光膜外面的保护膜，将曝光后的铍铜片放入稀释后显影剂中浸泡，并用毛刷轻刷铍铜片的正面，以刷去未曝光部分的感光膜，完成后用清水冲洗并擦干；(8)腐蚀：将显影后铍铜片放入稀释后蚀刻剂中进行刻蚀，直至将铍铜片表面未曝光部分刻蚀完全；(9)脱膜：将腐蚀后铍铜片放入脱膜剂中，待表面感光膜脱去后取出，用清水冲洗干净，即完成弹性簧片的制作。菲林片必须用专业的菲林打印机打印，打印精度必须达到或者高于600*600DPI，如果没有的专门的菲林打印机可以用喷墨打印机完成，激光打印机打印的效果比较差，一般不予采用。感光膜共有两层保护膜，感光部分为夹在两层保护膜中间的部分，步骤(4)中撕掉一层保护膜，另一层于步骤(7)中撕掉。步骤(6)中要对薄片的两面进行曝光，一面曝光的时候需要放置菲林片，另一面则不需要放置。曝光后能看到放置菲林片的一面出现图案，没放置菲林片的一面全部变成深蓝色。在步骤(7)显影完成前，贴好感光膜的薄片要置于黑暗避光的环境中，防止提前曝光，影响最后的加工质量。在步骤(8)的整个腐蚀过程中，蚀刻剂温度高于室温。步骤(7)所述稀释后显影剂是由显影剂和水按照1:100的质量比配得。步骤(8)所述稀释后蚀刻剂是由蚀刻剂和水按照1:4的质量比配得。步骤(9)所用稀释后脱膜剂是由脱膜剂和水按照1:50的质量比配得，在配置时温度保持在60℃，且配置好的脱膜剂存放于塑料容器中。显影剂、蚀刻剂和脱模剂稀释后使用，是为适当减缓反应速度，从而提高产品精度。各稀释比例是对多种市售显影剂、蚀刻剂和脱模剂进行稀释试验后，找到的最优比例。本发明的制作方法与现有的线切割加工方法相比，具有如下有益效果：(1)降低了成本：本发明中使用的化学药品和需要的设备都容易购买并且价格便宜，利用化学腐蚀的方法有效的降低了加工的成本。(2)方法简单，易于实现：该方法在实际应用中易于操作，不需要很强的专业技能就能够独立完成整个制作过程。(3)易于加工复杂图案：线切割加工不易加工复杂图案的簧片，而利用腐蚀加工的方法有效的解决了这个问题。(4)成品质量较好：簧片在加工过程中不受力，不承受高温，不会产生抖动，加工出来的簧片边缘更加光滑，圆度、直线度等参数都优于线切割加工做出的簧片。本发明的制作方法与现有的MEMS制造工艺、光刻技术相比，具有如下有益效果：(1)成本更低：MEMS制造工艺和光刻技术所需设备价格较高，提高了加工成本。(2)效率更高：对比MEMS制造工艺和光刻技术，本发明的方法效率更高。(3)工艺更简单，易于操作：本发明的方法制作过程简单，相较于MEMS工艺和光刻技术更易于操作。附图说明图1为本发明弹性簧片制作方法的流程示意图。图2为本发明实施例1中弹性机构的图案；图3为本发明实施例1中制作出的弹性簧片的照片。具体实施方式下面通过具体的实施例对本发明进一步说明，并通过与对比例的对比来说明本发明具有的有益效果。实施例1如图1所示，本实施例按照以下步骤加工微纳米三坐标测量机接触式探头用0.1mm厚度铍铜合金高灵敏弹性簧片。(1)设计图案：根据需要设计弹性机构图案，弹性机构的图案如图2所示。(2)菲林片打印：用菲林打印机将弹性机构图案打印到菲林片上，设置弹性机构图案部分为负色；(3)铍铜片表面处理：根据弹性机构图案大小裁剪铍铜片，然后用水磨砂纸打磨裁剪后铍铜片的两面，并在打磨后擦拭掉表面的粉末；再将打磨后铍铜片放入SanNy3111铜片表面打磨液中浸泡30秒，取出后用清水冲洗并擦干；(4)贴覆感光膜：撕掉感光膜一面的保护膜，将感光膜均匀的贴于铍铜片的正反两面，过程中避免产生气泡；(5)加固感光膜：将贴有感光膜的铍铜片放到加热设备上加热，使感光膜牢固的贴于铍铜片上；(6)曝光：将打印好的菲林片放于铍铜片的正面，并使菲林片上打印有弹性机构图案的一面与感光膜紧密接触，然后用玻璃板将铍铜片和菲林片夹紧；将铍铜片正面朝上，用紫外灯照射2分30秒进行曝光，然后去掉菲林片，再用紫外灯照射铍铜片的反面2分30秒以实现曝光；曝光后能看到放置菲林片的一面出现图案，没放置菲林片的一面全部变成深蓝色。(7)显影：将显影剂和水按照1:100的质量比配置好，撕掉感光膜外面的保护膜，将曝光后的铍铜片放入稀释后显影剂中浸泡，并用毛刷轻刷铍铜片的正面，以刷去未曝光部分的感光膜，完成后用清水冲洗并擦干；(8)腐蚀：将蚀刻剂与水按照质量比1:4配置好，将显影后铍铜片放入稀释后蚀刻剂中进行刻蚀，直至将铍铜片表面未曝光部分刻蚀完全；(9)脱膜：将脱膜剂与水按照质量比1:50配置好，将腐蚀后铍铜片放入稀释后脱膜剂中，待表面感光膜脱去后取出，用清水冲洗干净，即完成弹性簧片的制作，采用该方法制作出的簧片如图3所示。采用线切割方法加工相同材质、相同厚度、相同图案的高灵敏弹性簧片以进行对比。针对直线度、圆形孔圆度、加工边缘的平均偏移量(可以代表边缘的光滑程度)三个特征量，在通过本发明的腐蚀加工做出的簧片与线切割做出的簧片中每个特征各随机取出十个，通过MUMA影像测量仪(测量精度：(3+L/200)μm)进行观察，得出的数据如表1～表3所示。表1：圆度参数对比12345678910平均腐蚀加工(μm)38.551.256.468.1149.168.158.961.970.948.667.2线切割加工(μm)118.265.1109.177.6180.765.776.9101.3111.977.5101.4表2：直线度参数对比表3：平均偏移量参数对比12345678910平均腐蚀加工(μm)5.26.46.95.35.411.96.69.46.27.57.1线切割加工(μm)17.815.319.723.220.926.718.720.524.222.620.9通过表中的数据可知：1、通过本发明的腐蚀加工方法做出的弹性簧片圆形孔的圆度更好，腐蚀方法做出的弹性簧片圆度平均值达到了67.2μm，优于线切割加工弹性簧片的圆度平均值101.4μm；2、通过本发明的腐蚀加工方法做出的弹性簧片直线部分的直线度更好，腐蚀方法做出的弹性簧片直线度平均值达到了34.8μm，优于线切割加工弹性簧片的直线度平均值120.1μm；3、通过本发明的腐蚀加工方法做出的弹性簧片边缘更加平整，腐蚀方法做出的弹性簧片的平均偏移量达到了7.1μm，优于线切割加工弹性簧片的平均偏移量20.9μm。总之，腐蚀加工方法做出的弹性簧片工艺参数是要优于线切割加工做出的弹性簧片，所以采用腐蚀加工的方法加工高精度高灵敏弹性簧片是更好的选择。以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属
技术领域：
的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。当前第1页1 2 3