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技术文章
激光切割机系统的三大法则
点击次数:615 发布时间:2013-7-10
目前,激光切割机微系统和器件所使用的材料多以单晶硅、多晶硅、氧化硅和一些金属,还有聚酰亚胺等高分子材料。基本构件主要有细丝、悬臂梁、微桥、薄膜、齿轮和微轴承等,由这些基本构件组合成的结构不是传统机械的简单几何缩小。当构件细微到微米/纳米尺度后,材料本身的力学、物理性质及其受环境影响的程度有显著变化,会出现强烈的尺寸效应、表面效应等。由于激光切割机加工工艺、结构尺寸不同,即使是同样的材料也会表现出不同的材料特性,常规条件下的材料的力学性能参数已经不能满足MEMS系统结构的设计要求。在微系统设计、制造中比较常见的材料特性测量包括测量材料的断裂模数、弹性模量、应力应变、微摩擦特性等。目前,微系统材料激光切割机力学性能实验具体按作用方式的不同将实验方法分成纳米硬度、弯曲、拉伸、扭转这几大类,每一大类中又包含数种测试方法。
(1)接触法
接触法使用较广,主要将压针直接作用在试样上。所用仪器主要有纳米硬度计及其类似装置、原子力显微镜等。
(2)非接触法
zui初的鼓膜实验是用机械的方法将自由膜固定在一个具有圆孔的基体上,通过控制薄膜两侧的气压差使薄膜凹或凸起,测量在加压力下薄膜中心的挠度,然后将压力一挠度曲线转化为应力一应变曲线,从而得到薄膜的力学性能。
(3)谐振法
通过检测谐振频率计算微梁的模量,是一种较早采用的动态测试方法。一种针对MEMS中zui主要的基本构件微悬臂梁、细丝、微桥和微轴承,采用弯曲法,基于USB接口的MEMS材料力学性能测控系统如图所示。该系统由北京工业大学激光工程研究院微技术部开发,其硬件主要包括测试机、测控卡和计算机三大部分。系统结构,系统实物和硬件逻辑关系。激光切割机系统的软件主要包括USB控制器芯片内部的固件程序(firmware)、上位机设备驱动程序、上位机应用程序三个部分。测试机是对式样进行力学加载实验的执行机构。通过三维精密移动台的相互配合,其定位精度达到l~mo式样加载台位于步进电动平移台上,步进电机通过精密丝杠传动,带动式样加载台,并通过压针对式样进行接触式力的加载。其移动距离分辨率优于0.1um.在加载的同时,通过微触力传感器和位置传感器(PSD)测量加载力的大小和压针位移的大小,从而得到式样受到力的大小和式样形变的大小。在测量的过程中配以合适的测量方法使该系统的载荷分辨率达到2mN,位移分辨率优于lum.
对激光雕刻机静态参数测量主要是针对微小构件的二维或三维尺寸、三维形貌的精密测量。目前,激光雕刻机光切法、干涉法、共焦显微干涉法等非接触测量方法已经成为对微/J、构件几何量精密测量的主要方法,其中,将计算机视觉技术与光学显微技术相结合的微视觉测量方法越来越受到重视。
微视觉激光雕刻机测量技术在微几何量检测领域越来越得到重视。对亚微米级的微机械量和几何量的检测和计量手段有:扫描电子显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)、干涉显微镜、高精度轮廓仪、光电坐标测量机(CMM—Opt)等。其中,SEIM和SPM的测量范围分布在几纳米到200um;白光干涉显微镜测量范围分布在0.05um~0.6mm;轮廓仪测量范围分布在0.1um~5mm;采用光探针(OpticalProbe)CMM测量范围分布在1um~lOOOmm;具有机械式测头(Me-chanicalProbe)的cMM对微机械量和几何量检测和计量相对较困难;激光雕刻机扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)就其测量精度和范围属于纳米测量手段。
(1)接触法
接触法使用较广,主要将压针直接作用在试样上。所用仪器主要有纳米硬度计及其类似装置、原子力显微镜等。
(2)非接触法
zui初的鼓膜实验是用机械的方法将自由膜固定在一个具有圆孔的基体上,通过控制薄膜两侧的气压差使薄膜凹或凸起,测量在加压力下薄膜中心的挠度,然后将压力一挠度曲线转化为应力一应变曲线,从而得到薄膜的力学性能。
(3)谐振法
通过检测谐振频率计算微梁的模量,是一种较早采用的动态测试方法。一种针对MEMS中zui主要的基本构件微悬臂梁、细丝、微桥和微轴承,采用弯曲法,基于USB接口的MEMS材料力学性能测控系统如图所示。该系统由北京工业大学激光工程研究院微技术部开发,其硬件主要包括测试机、测控卡和计算机三大部分。系统结构,系统实物和硬件逻辑关系。激光切割机系统的软件主要包括USB控制器芯片内部的固件程序(firmware)、上位机设备驱动程序、上位机应用程序三个部分。测试机是对式样进行力学加载实验的执行机构。通过三维精密移动台的相互配合,其定位精度达到l~mo式样加载台位于步进电动平移台上,步进电机通过精密丝杠传动,带动式样加载台,并通过压针对式样进行接触式力的加载。其移动距离分辨率优于0.1um.在加载的同时,通过微触力传感器和位置传感器(PSD)测量加载力的大小和压针位移的大小,从而得到式样受到力的大小和式样形变的大小。在测量的过程中配以合适的测量方法使该系统的载荷分辨率达到2mN,位移分辨率优于lum.
对激光雕刻机静态参数测量主要是针对微小构件的二维或三维尺寸、三维形貌的精密测量。目前,激光雕刻机光切法、干涉法、共焦显微干涉法等非接触测量方法已经成为对微/J、构件几何量精密测量的主要方法,其中,将计算机视觉技术与光学显微技术相结合的微视觉测量方法越来越受到重视。
微视觉激光雕刻机测量技术在微几何量检测领域越来越得到重视。对亚微米级的微机械量和几何量的检测和计量手段有:扫描电子显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)、干涉显微镜、高精度轮廓仪、光电坐标测量机(CMM—Opt)等。其中,SEIM和SPM的测量范围分布在几纳米到200um;白光干涉显微镜测量范围分布在0.05um~0.6mm;轮廓仪测量范围分布在0.1um~5mm;采用光探针(OpticalProbe)CMM测量范围分布在1um~lOOOmm;具有机械式测头(Me-chanicalProbe)的cMM对微机械量和几何量检测和计量相对较困难;激光雕刻机扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)就其测量精度和范围属于纳米测量手段。