在光纤上制造微球探针的实验报告

在光纤上制造微球探针的实验报告摘要许多微孔和沟槽的侧壁通过当前光学或非接触式测量仪器不易衡量，因此微触探测器在市场上有越来越多的要求。一个好的球形探针是非接触测量结构的基础。本文提出了一种低成本和在钨丝尖端制造微球的在线系统，这种系统主要是使光纤融化器的。基于电弧放电能量吸收的原则和表面张x力现象,形微球在光纤尖端形成。实验结果表明,选择适当的工艺参数,如电弧,清洁电弧功率补偿,和清洗时间,直径为300微米，圆度误差为6微米的球体可以在直径为125微米的的单模光纤上形成。在球体形成的过程中，旋转钨丝。可以抑制球中心和光纤维中心的偏心距，使其不到3微米。通过在尖端光学纤维尖端直接形成球形探头，这种方法演示了一个简单的进程内尺寸控制方法缩短生产期，使其成为为3d微探针。探针可用于微尺度/纳米坐标测量机(机)来提高测量分辨率和扩展微型物体能力。关键词:微球探针、光学纤维,纤维融合,进程内测量1.介绍尽管许多一维纳米测量系统已经成功地开发和商业化,在过去的十年超高精密三维表面测量技术一直在重视研究。有相当多的光学分析器3d的能力作者任何信件都应该向谁解决。非接触式测量的分辨率纳米,如众所周知的白光干涉仪和全息数字显微镜[1]。这些设备无法应对高纵横比的侧壁几何测量微孔、沟槽、边缘。接触的系统设计和集成式微型/纳米尺度的三维坐标测量机(3dCMM)已成为越来越重要,和发展因此成为一个新的研究领域,由于需要测量微小部分。这种三坐标需要比传统大规模3d机更高的测量精度和分辨率。微触发探测器的设计和制造成为实现测量能力的关键因素。虽然MEMS过程可以制造不同的微观结构,他们永远不能用当前的技术制造一个完整的微球。一个可行的方法是使用一层一层地micro-electro放电加工(EDM)方法制造复杂的3d部分和微探针(3、4),但这是非常耗时的,由于放电坑表面光洁度粗糙。基于表面张力原理，制造微型球体探针、探测微电火花的新方法近期已经提出了。但几何精度还不能满足测量要求。在光纤尖端上直接制造，使其形成单一的组织作为一个特定的传感器是另一个可能的方法[7]。这种光纤探针可以被制造的一非常小的尺寸,使用其偏转效应检测到CCD(8、9)或光纤布喇格光栅(fbg)[10]，允许测量微孔。一个好的光纤探针的制造过程还不清楚。通常这是公司机密信息。本文新方法利用商业光纤熔接器的清洁特性制作微型球，提示直接在光纤和直接监测球的形成几何对纤维杆将详细描述。最优处理策略也被确认,涉及到电弧功率的选择,清洁电弧功率补偿,清洗时间控制球的直径和圆度。的补偿抵消球形顶部中心的距离从纤维中央行也通过旋转放电周期之间的纤维。提出了相关的试验装置。2.实验2.1。实验方法本研究采用由美国康宁有限公司SMF-28e模型制造的单模玻璃纤维制造球型尖端。玻璃纤维芯的材料是一个含有99.999%的Si〇2的玻璃材料。核心被包层包围，然后包层被PVC涂层覆盖着。尺寸如图1所示。熔覆层和核心在光纤的成型过程中紧密的连在一起,这样他们不分离。因此,裸露的纤维杆直径为125微米。大多数纤维融合连接工具提供了清洁特性在融合入加工操作之前来清洁纤维面,同时还具有一个弧检查功能优化拼接条件[11]。在这项研究中商业光纤熔接器的清洁特性是用来制造微探针。探针的几何轮廓和尺寸测量使用一个图像视觉坐标测量核心直径:8.2微米包层直径:125.0±0.7微米点涂层直径:245±5微米图1所示：单模光纤的成分和尺寸。2.2实验设置和程序在这项研究中使用的光纤熔接器是由日本Furukawa电气有限公司制造的FITELS199S模型单光纤熔接器。融合过程的参数是:(1)放电电压,电流,频率;(2)电极参数,如材料、形状和长度的差距;(3)外部条件,如气体,压力,温度,湿度,气体流动[12]。此外,纤维尖端相对于电极的位置对光纤吸收能量也是很关键的[13]。因为这个连接工具已经成立的方式拼接结果优化,只有有限的参数如放电时间、放电强度,纤维和放电电极之间的距离可以在实验中改变。所使用的电极是由直径为2毫米的钨丝制成,成30°角顶角和4毫米的电极间距。放电环境温度是正常的室温。最优结果可以通过调整上述参数得到。在这项研究中使用的是单模光纤。为了有效地进行实验,如图2所示(一个),原来的系统配置,修改了添加一个XY定位阶段和旋转阶段实验系统配置,如图2所示(b)。在光纤上进行球形尖端成型的标准操作由三个步骤组成。首先,在纤维制备过程中,使用纤维脱模脱去部分纤维涂层;用浸泡了变性酒精的棉花擦纤维,从而去除附着在纤维上的涂层芯片;然后用纤维刀粘住纤维。第二,在纤维加工过程中,打开连接工具，纤维夹持器和纤维夹的挡风玻璃;准备纤维加载到左边的持有人(见图2(b))剥夺了一部分的v型槽,确保纤维是否正确设置在关闭之前的v型槽纤维支架。可以通过调整XY段。纤维夹关闭之后，把持住v型槽上的纤维。一旦正确加工纤维,挡风玻璃就关闭,同时连接工具准备进行实验。最后,在形成过程中,通过设置电话强度,清洗电弧功率偏移和清洗时间,微型球就可以制造好了。图2试验装置。(a)原始纤维连接工具配置。(b)修改实验配置。进行精密测量所需的良好的球形探头需要三个关键特征:均匀球直径、圆度好,球对杆中心的偏移距离。前两个维度可以通过控制电弧放电参数调节,而偏距的影响主要是由于重力作用在球的形成。因此,利用纤维交替旋转180°与纤维轴的弯曲来弥补探针小球的弯曲。2.3.进程内测量系统微型三维文件通常可以通过一个概要文件干涉仪测量,如白光干涉仪或全息干涉仪。由于干涉图的分辨率限制,该技术只能测量一个球体的顶部,如显微镜头或纤维小球表面轮廓(14、15)。为了监测逐步的增长和控制整个微型球质量,本实验采用二维图像系统。由PULNIXInc.TM-7CN模型制造的ccD相机,768x494像素,而此CCD相机安装在连接工具套件上。变焦镜头多达5.25倍放大从OPTEMco.)它可以延长工作距离至80mm和降低视野0.9毫米x1.2毫米,这样每个像素对应于约1.87微米。要点数据是通过1x15掩模平滑技术和高斯的拉普拉斯算法算出的,而边缘检测是由零交点计算点的二阶微分灰色水平跨越边界算出来的。这种图像处理技术可以产生快速计算时间和十分之一亚像素分辨率(^0.19微米)，从而来确定每个测量边界点的坐标。每个电弧清洗周期,球形的直径和圆度,球和纤维笔中心之间的偏移量,以90°的夹角监测纤维轴,这样微探针的形状可以记录在制造过程中。这个进程内维控制系统配置如图3所示。图3.进程内球形探头形成系统。电弧清洗周期图4。球齿顶圆直径系和电弧清洗周期的数量之间的关系;电弧功率:230,清洗电弧功率补偿:230,清洗时间:6000微秒。3.结果3.1。实验结果纤维吸收放电功率的电弧从而瞬间融化。由于表面张力,融化的部分纤维开始提在凝固期间形成一个球形形状。随着球形逐渐变大,使得球体拉伸至重力场。这将导致一个球形的下垂,因此造成球体的中心和中央的纤维笔之间的偏移距离的增大。图4显示了当所有其他参数都是固定时，球形的直径和电弧清洗周期的数量间的关系。看到的是直径随着清洁的循环次数增加而增加。重力的影响可以针对前面球面的偏移方向提示进行检测，随后通过180°对周围的纤维轴旋转最小化。然而,由于所需能量仍然太大,导致球体尖端再次转向重力场。如果保持电话清洗循环不变，仅仅通过旋转纤维，不能将偏移量消除。这种过度补偿现象如图5所示,(a)展示了一个周期后的尖端弯曲的电弧放电过程中,(b)显示了在原始弯曲在旋转180◦之后的图像(c)展示了在位置b进行电弧释放之后的过度补偿的图像。所有的数据是每个电弧放电过程的纤维被旋转90°后得到的侧视图像。图5.过度补偿现象(侧视图像)。换句话说,如果一个较低的放电功率被设置是为了控制融化的质量,那么尖端将不会很明显的弯曲。这可以减少球体的中心和纤维中央线之间的距离。然而,即使每次放电周期后使纤维旋转180°,也会产生不可接受的探针。如图6所示。这是由于这样的事实:在尖端和茎杆之间有一个逐渐凝固段,从而提示形状类似于一个液滴,而不是一个球体。图6.不可接受的“液滴”形状。为了补偿之前的周期的弯曲,必须调整相应的参数,以便偏移量可以完全被消除。分析实验结果和调查这一现象后,大量的实验都被调整了工艺参数。一个最优处理策略也产生了。方法是通过应用较高电弧功率、大清洗电弧功率补偿、较长的清洗时间先做一个需的直径和圆度球体，然后应用低的电弧功率,小清洁电弧功率补偿,缩短清洗时间进行补偿。图7.纤维的图像。表1.实验参数的值。3.2.测量结果此方法已经被应用于制造大量的探针。图7显示了在四个角位置探测纤维的一个图像,同时在表2中还有相应的测量结果总结。圆度是常用的计量术语。它的数值方法是找到的最小二乘圆环形数据采样。peak-to-valley距离的抽样数据对拟合圆的圆度误差被定义为测量圆形物体的圆度误差。表2.在不同旋转角度进行球体测量的结果。很明显,下垂的探针针尖和弯曲的纤维明显减少,过度补偿的现象不会再次出现。这意味着此方法在某种程度上做的工作,现有的实验仪器可以处理。虽然测量结果表明,由于不准确的手动控制纤维旋转弯曲,和由于温度不均匀引起的纤维残余应力的圆度误差,尚未完全消除。实验仪器的改进和更好的控制方案将进一步实现改善抵消偏移量和球形尖端的圆度。4.讨论在测量不同直径的孔或槽时需要不同大小的探针。根据微小部分的精度要求,探测器的几何误差也将需要不同程度的等级。典型目标的圆度值和实际调查要求抵消错误将小于1微米,甚至更好。如第一节所述,一个好的光纤探针的制造过程对制造商保密的。微纤维球探针的市场价格非常高,每件订单的价格大约是800欧元(例如,Werth有限公司,德国世界粮食计划署的光纤探针)。目前的工作揭示了制造一个类似非常低的成本的探针的可行性,但准确性没有被满足。进一步的调查重点是为了更好的过程的控制连接工具的改进，采用田口方法进行控制参数的最优组合的推导,优化放电环境,探针的特征。此外,类似于“微准重力效应”的概念,应用磁场补偿水平旋转导电材料的化学汽相淀积(CVD)、物理气相沉积(PVD)过程[17]重力下降,纤维球下降可能会被排出的气流可能补偿。我们期待,一个可靠和具有成本效益的探针可以实现微/纳米CMM的应用程序。5.结论这个研究表明利用商用光纤熔接器在光学纤维上制造微型球体探针的可行性。由于工作参数的正确选择,我们可以提出一个优化处理策略，从而可以生产一个好的微球尖端。所需的方案首先要专注于通过应用高的电弧功率,大清洗电弧功率补偿,长得清洗时间，来制造一个所需直径和圆度的球型尖端。然后集中于通过应用电弧功率低,小清洁电弧功率补偿,缩短清洗时间来补偿抵消由于重力产生的偏移。研究还揭示了旋转控制纤维的重要性的和纤维的温度分布。不同的参数设置会产生不同形状的微探针。与表1中指定的参数的组合,一个最优的微探针取得经过五个清洗周期。一个进程内维控制系统也被应用于在线测量探头的几何测量,大约0.19微米，制造和测量进程保持在同样的操作系统。测量结果表明,直径340微米,圆度6微米偏心距小于3um的球形尖端就可以得到了。尽可能多的中尺度到微尺度都可以通过MEMS制造,能量光束光刻技术,近年来的微型工具加工过程,这些组件的内部边缘尺寸不易通过光学或其他非接触式仪器测量[16]。微触探测技术能提供一种可能的解决方案来解决这个问题。允许探针接触到高纵横比孔或槽合适的微型尖端探针的制造技术是产生一个好的接触探针一个基本的要求。本研究开发了一种低成本和过程系统,使球技巧制造可能在普通实验室。