激光刻蝕半球型鉑電阻的定位研究

孔榮宗，劉濟春，吳云峰，肖紅云，吳 波

(1.中國空氣動力研究與發展中心超高速空氣動力研究所，綿陽621000;2.電子科技大學光電信息學院，成都610054)

引 言

薄膜熱流傳感器是利用附著在某種材料表面的金屬薄膜測量材料表面溫度變化，通過傳熱模型計算獲得表面熱流密度的一種傳感器。目前，薄膜鉑電阻熱流傳感器的鉑薄膜作為主要的測溫敏感元件，憑借其穩定性好、測量范圍大、精度高、重復性好等優點在各個行業應用越來越廣泛，發展勢頭相當迅猛，如何制作高質量的薄膜鉑電阻已成為行業討論熱點［1］。在高超聲速氣動熱環境風洞實驗方面，由于實驗模型外形復雜，模型上不同表面位置的熱流值變化劇烈，準確定位測點位置是獲得高精度實驗測量數據的前提條件。

傳統的鉑薄膜制作方法是利用掩膜制作鉑薄膜，但氣動熱模型的復雜導致掩膜制作困難、傳感器成本高。在現有的微電子微細加工技術［2］中，激光刻蝕是利用激光對集成光學器件、微光學與衍射元件、計算全息圖等進行精密加工，具有工藝簡單、精度高、速度快、效率高等優點，已廣泛應用于薄膜電阻的制作［3-5］，在激光刻蝕薄膜鉑電阻的研究中，遇到了在半球面上刻蝕薄膜鉑電阻的情形，因此展開了激光刻蝕工藝研究。

1 激光刻蝕原理

激光刻蝕薄膜鉑電阻的工作原理是將激光器發出的脈沖激光束進行聚焦，根據計算機設置的圖形掃描薄膜層，使被掃描的鉑膜層熔融、蒸發或汽化，通過改變薄膜的寬度、厚度或長度，調整薄膜電阻的電阻值［6］。

激光刻蝕機是集計算機控制、光學、精密機械和精密測量等技術于一體的高技術微細加工設備［7-10］。激光刻蝕系統的基本機構如圖1所示，主要由激光器、擴束器、掃描振鏡、聚焦透鏡、CCD相機、照明光源、調焦系統、2維移動工作平臺和控制技術機等部分構成。

Fig.1 Schematic of main components of laser corrosion system

激光刻蝕半球型工件的工作流程如圖2所示。對電阻的刻蝕圖形預先利用AutoCAD設計后輸入到計算機;利用視覺成像系統對加工點進行精確定位，通過2維平臺把激光光束中心移動到加工點;在垂直方向上調焦系統微調平場自聚焦透鏡，激光光束聚焦達到最好的質量;激光按照一定的軌跡燒蝕薄膜電阻是根據計算機預置圖形生成的掃描路徑，實現預置圖形。

Fig.2 The flowchart of laser corrosion hemisphere platinum resistor

由于加工的半球型工件比CCD相機視場要大得多，對加工位置即半球半圓周上的加工點進行精確定位變得異常困難，因為在視覺系統中無法直接識別頂點。作者通過對半球邊緣上的點進行定位，通過計算對半球頂點完成定位并切割電阻;載物平臺旋轉一定角度并補償計算出的補償值，完成對加工點定位并切割電阻，最后對定位結果進行了測量驗證。

2 LED背光源

激光刻蝕機的視覺成像系統［7］包括光源、CCD相機和成像鏡頭等，其功能包括兩個方面:(1)實時監測激光光束質量，測量參量用于光束控制系統進行反饋控制;(2)精確定位被加工區域，實時監控加工過程。

傳感器玻璃基底為半球型［11］，尺寸為?40mm。刻蝕機視覺成像系統采用定焦鏡頭，視場約為3.2mm×2.5mm，因此整個半球的輪廓無法全部顯現，在計算機上看到的是半球的一小部分，要加工的半球頂點位置在獲得的視頻圖像中無法直接定位出，因此提出了先對半球邊緣點提取坐標，然后利用計算定位半球頂點，根據計算值旋轉載物平臺旋轉軸以定位半圓周加工點。載物平臺設計圖如圖3所示。

Fig.3 Rotary platform

實現上述方法需要對半球邊緣進行清晰地成像。LED背光源具有發光均勻、方向分散、亮度高、壽命長等特點［12］。經過多次實驗，采用了對半球邊緣成像效果最好的LED背光源作為視覺成像系統的光源。

3 邊緣點坐標值提取

刻蝕機視覺成像系統拍攝的工件圖像是俯視圖，在此圖上半球型樣品的邊緣將會是一個圓型。由于整個工件無法完全呈現在視場中，因此如圖4所示，在視頻畫面中移動平臺只能看到很小的一部分圓形邊緣。

Fig.4 Hemisphere edge image

邊緣被找到后，暫停攝像得到邊緣圖像。如圖4中的邊緣圖像所示，可以通過兩條紅色直線確定邊緣上的一個點，其中一條直線與邊緣相切，另外一條直線和第1條直線相會點是切點，這個切點的坐標值就是需要獲得的半球邊緣上的一個坐標點值。

4 頂點坐標值計算

因為需要移動水平移動平臺使得激光光斑聚焦點和激光燒蝕位置是同一點才能進行定位，因此只需要計算半球底面所在平面的橫坐標和縱坐標。采用上述方法提取半球邊緣四周的4個點的坐標，分別設為B(x1，y1)，C(x2，y2)，D(x3，y3)和E(x4，y4)。這4個點組成一個圓，設其圓心坐標為A(x0，y0)，圓心到4個點的距離相等即為半徑，因此AB=AC，AD=AE，可以得到如下公式:

根據上面公式，計算出的坐標點A(x0，y0)即為這4個點確定的圓的圓心。因為半球頂點在半球底面的俯視圖中的點就是圓心A，因此激光刻蝕機根據圓心A的坐標值移動水平平臺把激光光斑在半球頂點上聚焦定位。計算機就可以控制振鏡以半球頂點作為預制圖形原點完成激光掃描刻蝕，去除不需要的薄膜，得到設計獲得的薄膜電阻圖形。

5 旋轉定位

如圖5所示的半圓周上，需要在頂點B一側C點處燒蝕薄鉑膜。由于薄膜形狀與傳感器性能有較大關系，理想的薄膜電阻圖形邊緣平整、且垂直于工件表面。要實現如此的激光刻蝕薄膜電阻圖形，在棱鏡掃描時，需要通過旋轉平臺不斷移動工件，使激光聚焦光斑一直垂直于半球的加工點的切面。在圖5中，A為半球球心，O為旋轉軸軸心，球心與軸心不是同一點，兩點之間的距離為d，∠BAC的角度值為θ。如旋轉軸沿O旋轉θ后，同樣半球旋轉了θ，保證激光聚焦光斑一直垂直于半球過C點的切面。但是如圖5所示，半球球心A將在y方向和z方向發生偏移 Δy，Δz，移動到A'。

Fig.5 Platform sketch and Hemisphere sketch map

在圖5 中，l/2=dsin(θ/2)，推導出l=2dsin(θ/2);g+f=90°，θ/2+f=90°，推導出 θ/2=g;由Δy=lcosg，Δz=lsing，得到:

在旋轉軸轉動θ后，按Δy和Δz值移動2維平臺，補償y方向和z方向的偏移量，實現了球心A旋轉了θ，激光聚焦光斑在C點定位，保證激光束垂直于半球切面。計算機此時可以控制振鏡以此點視為預存圖形原點進行激光掃描刻蝕薄膜，去除設置圖形薄膜形成所需的薄膜電阻圖形。

6 實驗結果

采用上述方法完成定位后，進行了半球局部刻蝕驗證，半球頂點和頂點加工點相差5°。圖6a為計算機中預存的薄膜電阻的設計圖形，激光刻蝕后形成的圖形為圖6b。圖6a和6b相比較，可以初步觀察到兩圖形狀近似，形成的薄膜電阻邊緣較齊整，但也有一些差異。

Fig.6 Corrosion image

驗證半球鉑電阻頂點定位:半球型鉑電阻頂點可認為是圖6中兩個三角形的共同頂點，半球半徑采用游標卡尺測量，4個方向的半徑的測量值為r1;各方向對應的半球真正直徑測量值為m，因此由r2=m/2計算獲得半球真正的半徑值r2。表1中的數據是4個方向半球測量半徑與真正半徑的差值的絕對值。半球材料為耐高溫玻璃，存在加工誤差，導致在4個方向的真正半徑，即r2的值是不相同的，從表1可以計算得到的平均值為0.08mm。而半球實際半徑值可以認為是4個方向的真正半徑值r2的平均值，其值約為20.07mm。因此實際的圓心與通過以上定位方法定位的圓心的距離偏差平均值約為0.08mm，與真正半徑值r2的平均值相比誤差約是0.39%，如此小的差異是可以滿足傳感器制作和熱流測量要求。

Table 1 Observed value

驗證頂點一側加工點定位:如圖5所示，2維移動平臺從頂點B移動到加工點C在y方向的距離是線段BD的長度，可以計算得BD值為1750μm，其精度為2μm。旋轉角度 θ可以利用△ABC和△BDC的關系計算獲得?！鰽BC中B點到AC邊的高是BE，由于BD與AB垂直，BE與AC垂直，B，C兩點都是半圓上的點，因此有AB=AC=r，有∠ACB=∠ABC，∠ACB+∠EBC=90°，∠ABC+∠CBD=90°，根據上述關系可以推得∠CBD=∠EBC，有△BDC與△BEC全等，推導出BD=BE;BE=rsinθ，推出θ=arcsin(BD/r)。由于理論半球半徑為r值為20mm，代入上式計算出旋轉角度 θ的值為5.02°，相對誤差3.9%，誤差較小滿足了刻蝕定位精度要求。

7 結論

在半球型工件尺寸大于視覺系統視場時，半球半圓周上的加工點定位困難，解決方法是先提取半球邊緣上4個點的坐標值，然后半球頂點坐標值是使用這4個點的坐標值計算獲得，再實現頂點定位，計算機根據此值控制電機旋轉，同時根據補償偏差值移動2維平臺實現在圓周上加工點定位。半球薄膜刻蝕定位表明，定位得到的頂點與真正半球頂點在半球底面的正投影的相對誤差約為0.39%;理論旋轉角度與定位半圓周上的加工點和定位的頂點與球心連線的夾角相對誤差為3.9%。表明這種定位方法可以較好地定位半圓周上加工點與半球型工件的頂點，因此，激光刻蝕機在半球工件上具有較小的定位偏差，可以實現高質量的刻蝕薄膜電阻，形成較理想的薄膜電阻圖形。

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