CN103900480B - 一种基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于近场电纺直写技术的光栅尺制造装置及其方法。光栅尺制造装置包括有XY平面运动平台（1）、Z轴运动导轨（2）、纺丝喷针（3）、注射器（4）、注射泵（5）、高压电源（6）、高压电源控制器（7）、注射泵控制器（8）、Z轴运动控制器（9）、XY运动平台控制器（10）、电纺控制器（11）、微电流检测器（12），光栅尺制造装置能够根据想要刻画光栅栅距，自动调节电纺参数。本发明光栅尺制造方法包括以下步骤：16）清洗玻璃片并在玻璃片上镀上一层均匀铬膜；17）通过电纺的方法按照想要刻的光栅排列在镀铬玻璃片上有序电纺直写聚合物覆盖线；18）将玻璃片放入化学溶剂中定形和腐蚀；19）清除电纺覆盖物。本发明用电纺直写的方法取代了传统光栅尺制造中光刻的过程，可以加工制造出精度非常高的光栅尺。

Description

一种基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法

技术领域

本发明是一种基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法，属于基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法的创新技术。

背景技术

高压静电纺丝技术，是国内外最近十几年发展起来的用于制备超细纤维的重要方法。电纺丝技术最早由Formhzls在1934年提出，随后Taylor等人于1964年对静电纺丝过程中带电聚合物的变形提出了泰勒锥这一概念，直到上个世纪90年代人们开始广泛关注电纺丝技术。孙道恒等人于2006年提出了近场电纺直写技术，近场电纺直写技术具有可靠的沉积精度，且参数可控，为电纺纳米纤维产业开拓了一种新的方法。

利用光栅来进行位移测量要追朔到上个世纪50年代，在相当长时问里，仅仅被天文学家和物理学家作为衍射元件应用于光谱分析和光波波长的测定，最开始是基于双光栅的莫尔条纹(Moire fringes)技术，其栅距在20um左右，精度一般为几个微米，但是随着制造技术的进步。现在的光栅栅距可以达到O.8um，分辨力达到lnm。在生产、制造业的发展中扮演了重要角色。纳米级的光栅测量是采用衍射光栅，光栅栅距是lum或0.8um，栅线的宽度与光的波长很接近，则产生衍射和干涉现象能形成莫尔条纹，其测量的原理称干涉原理。在现代机加行业中，大多采用光栅传感器来进行位置反馈装置。由于光栅尺能够对***进行全闭环控制，降低滚珠丝杠热变形等原因引起的误差，提高加工精度，所以目前中高档数控***越来越多地采用光栅尺作为线位移反馈元件。

我国光栅数显技术的发展从上世纪80年代以数显技术改造传统的机床行业为起点,目前，安装于中高档数控机床全闭环用的绝对式光栅尺全部依赖进口，这已经成为制约我国高档数控机床发展的技术“瓶颈”之一。国内封闭式玻璃光栅尺的最大测量长度为3m，准确度有±15μm、±10μm、±5μm和±3μm，分辨力有5μm、1μm和0.1μm，速度为60m/min，主要应用于手动数显机床。要实现量程上百毫米、纳米级分辨率的位移测量，只有部分激光干涉类和光栅类位移测量仪器可以胜任。但激光干涉仪对环境条件的要求苛刻，致使应用受限。而光栅式测长仪器虽已有成型产品，但主要来自国外公司，这些产品不但价格不菲，部分高精度的产品对中国地区的销售存在着诸多限制。

传统的光栅尺加工加工主要由尺坯制造，光刻(曝光)，化学腐蚀三个步骤组成。传统的光栅尺制造，具有刻线深度受限、刻线边缘效应不好等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法。本发明针对传统的光栅尺制造，刻线边缘效应不好这一缺陷，提出通过电纺直写覆盖层的方式取代传统光刻的方法制造光栅尺。本发明在镀铬玻璃板上直写出覆盖层，用于防止覆盖层下所镀铬被腐蚀，从而形成比传统光刻边缘效应更好的栅线；另外，由于电纺直写聚合物覆盖层宽度为微米级甚至可以达到纳米级，因此基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法可以加工制造出精度非常高的光栅尺。

本发明的技术方案是：本发明基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法，光栅尺制造方法所用光栅尺制造装置包括有XY平面运动平台、Z轴运动导轨、纺丝喷针、注射器、注射泵、高压电源、高压电源控制器、注射泵控制器、Z轴运动控制器、XY运动平台控制器、电纺控制器、微电流检测器,其中XY平面运动平台用于固定镀铬玻璃片，并提供XY平面方向的相对运动；Z轴运动导轨用于提供Z方向的距离控制；用于实施电纺的纺丝喷针装设在用于为电纺提供聚合物材料的注射器的下端，用于为注射器提供推力的注射泵装设在注射器的上端，注射泵与注射泵控制器连接，注射泵控制器用于控制注射泵的工作状态；高压电源用于为纺丝喷针提供电压，且高压电源与高压电源控制器连接，高压电源控制器用于控制高压电源的工作状态；用于控制Z轴运动导轨的运动状态的Z轴运动控制器与Z轴运动导轨的驱动装置连接；用于控制XY平面运动平台的工作状态的XY平台运动控制器与XY平面运动平台的驱动装置连接；用于检测电纺电流参数的微电流检测器装设在平面运动平台的旁侧，微电流检测器将检测的电纺电流参数反馈给用于确定电纺状态并调节电纺参数的电纺控制器，高压电源控制器、注射泵控制器、Z轴运动控制器、XY运动平台控制器与电纺控制器连接，电纺控制器用于协调高压电源控制器、注射泵控制器、Z轴运动控制器、XY运动平台控制器的控制状态，光栅尺制造方法包括如下步骤：

16)制作尺坯：在玻璃面板上镀上一层铬膜，预处理完成镀铬玻璃片的制造，镀铬玻璃片即为光栅尺坯；

17)电纺覆盖物：在镀铬玻璃片的镀铬表面用电纺的方法，在铬膜表面形成非溶于腐蚀化学试剂聚合物覆盖物；

18)化学腐蚀铬膜：即将表面覆盖有聚合物覆盖物的镀铬玻璃片放入化学溶剂中定型和腐蚀，得到化学腐蚀后的表面有聚合物覆盖物的镀铬玻璃片；

19)清除电纺覆盖物：将腐蚀后的镀铬玻璃片表面聚合物清理干净，并切成指定尺寸大小，即完成基于近场电纺直写技术的光栅尺制造。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明所述基于近场电纺直写技术的光栅尺制造装置，能够根据想要刻画光栅栅距，自动调节电纺参数；

2)本发明所述基于近场电纺直写技术的光栅尺制造装置，具有良好的自动化操作性能；

3)本发明基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法，比传统光栅尺刻画方式简单易操作；

4)本发明基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法，用电纺直写覆盖物的方法替代了传统光栅尺制造过程中曝光光阻的过程，避免了传统光栅尺加工中曝光过程中激光烧结造成的边缘效应齿状化，提供了拥有较好边缘效应的光栅刻线，比传统光栅尺刻画方式所刻光栅边缘效应要好。

5)本发明所述基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法，可以用于制作绝对式透射光栅和增量式透射光栅。

6)本发明所述基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法，可以制作纳米级的光栅。

本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的基于近场电纺直写技术的光栅尺制造装置及其方法。

附图说明

图1为本发明基于近场电纺直写技术的光栅尺制造装置示意图；

图2为基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法流程图；

图3为镀铬玻璃片示意图；

图4为表面有聚合物覆盖物的镀铬玻璃片正视图；

图5为化学腐蚀后的表面有聚合物覆盖物的镀铬玻璃片正视图；

图6为最终成型光栅尺的俯视图；

图7为最终成型光栅尺的正视图。

具体实施方式

实施例：

本发明的结构示意图如图1所示，本发明基于近场电纺直写技术的光栅尺制造装置，包括有XY平面运动平台、Z轴运动导轨、纺丝喷针、注射器、注射泵、高压电源、高压电源控制器、注射泵控制器、Z轴运动控制器、XY运动平台控制器、电纺控制器、微电流检测器,其中XY平面运动平台1用于固定镀铬玻璃片，并提供XY平面方向的相对运动；Z轴运动导轨2用于提供Z方向的距离控制；纺丝喷针3用于实施电纺；注射器4用于为电纺提供聚合物材料；注射泵5用于为注射器4提供推力；高压电源6用于为纺丝喷针提供电压；高压电源控制器9用于控制高压电源6的工作状态；注射泵控制器8用于控制注射泵5的工作状态；Z轴运动控制器9用于控制Z轴导轨2的运动状态；XY平台运动控制器10用于控制XY平面运动平台1的工作状态；电纺控制器11用于在生产制造中协调控制高压电源控制器7、注射泵控制器8、Z轴运动控制器9、XY运动平台控制器10的控制状态、微电流检测器12用于检测电纺电流参数，并反馈给电纺控制器11，电纺控制器11用于确定电纺状态并调节电纺参数，高压电源控制器7、注射泵控制器8、Z轴运动控制器9、XY运动平台控制器10与电纺控制器11连接，电纺控制器11用于协调高压电源控制器7、注射泵控制器8、Z轴运动控制器9、XY运动平台控制器10的控制状态。

本发明所述基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法流程图如图2所示，其具体制造步骤如下：

16)制作尺坯：切割一块玻璃面板，清洗玻璃面板13，并在玻璃面板13上电镀上一层厚为τ的铬膜14。根据一般光栅尺制造加工工艺，铬层厚度τ应与光栅尺光栅栅距δ保持1:100左右的关系。该镀铬玻璃片即为所加工尺坯，如图3所示。

17)电纺覆盖物：即将镀铬玻璃片沿电纺运动方向固定在XY平面运动平台1上，启动电纺装置，通过微电流检测器12检测电纺电流参数，并反馈给电纺控制器11，从而改变高压电源控制器7、注射泵控制器8、Z轴运动控制器9、XY运动平台控制器10的控制参数，改变电纺参数，从而使得所纺聚合物覆盖物15的贴合玻璃面宽度d和所要加工栅尺光栅栅距δ相同。按照栅线排布在铬膜14上覆盖出有规律的聚合物覆盖物15。制成表面有聚合物覆盖物15的镀铬玻璃片，如图4所示。

18)化学腐蚀铬膜：即将表面覆盖有聚合物覆盖物15的镀铬玻璃片放入化学溶剂中定型和腐蚀。得到，化学腐蚀后的表面有聚合物覆盖物15的镀铬玻璃片如图5所示。

19)清除电纺覆盖物：将腐蚀后的玻璃片表面聚合物清理干净，并切成指定尺寸大小，即完成基于近场电纺直写技术的光栅尺制造。得到，最终成型的光栅尺如图6、图7所示。将制成后的玻璃片切成指定大小时，可以同时得到多块基于电纺直写技术制作的的光栅尺。

本发明针对传统的光栅尺制造，刻线边缘效应不好这一缺陷，提出通过电纺直写覆盖层的方式取代传统光刻的方法制造光栅尺。本发明的目的是提供一种基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法，直写在镀铬玻璃板上直写出覆盖层，用于防止覆盖层下所镀铬被腐蚀，从而形成比传统光刻边缘效应更好的栅线；另外，由于电纺直写聚合物覆盖层宽度为微米级甚至可以达到纳米级，因此基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法可以加工制造出精度非常高的光栅尺。

本发明的工作原理如下：

近场电纺可以实现直径由纳米级到微米级范围内近百种不同聚合物纳米纤维、各种类型聚合物、无机物复合纳米纤维及无机纳米纤维的制备。由于铬膜具有导电性，因此可以直接在其上进行电纺操作。

另外，微电流检测器可以检测到电纺的微电流状态，从而可以判断出电纺直径的大小；可以通过电纺控制器，调节高压电源控制器、注射泵控制器、Z轴运动控制器、XY运动平台控制器，从而控制电纺纤维直径与所想要刻画栅线相同。

此外，若想要刻画栅线间距为d，则控制电纺纤维贴合玻璃面宽度为d，则对想要刻画光栅尺的相邻编码电纺平台在刻画方向上移动距离为2d。

另外，所电纺聚合物应不溶于腐蚀铬所用化学试剂，因此可以阻挡住覆盖部铬膜不会被腐蚀，从而完成光栅的刻画。此外，电纺聚合物在铬膜表面形成覆盖物容易被清洗。

Claims (3)

1.一种基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法，光栅尺制造方法所用光栅尺制造装置包括有XY平面运动平台（1）、Z轴运动导轨（2）、纺丝喷针（3）、注射器（4）、注射泵（5）、高压电源（6）、高压电源控制器（7）、注射泵控制器（8）、Z轴运动控制器（9）、XY运动平台控制器（10）、电纺控制器（11）、微电流检测器（12）,其中XY平面运动平台（1）用于固定镀铬玻璃片，并提供XY平面方向的相对运动；Z轴运动导轨（2）用于提供Z方向的距离控制；用于实施电纺的纺丝喷针（3）装设在用于为电纺提供聚合物材料的注射器（4）的下端，用于为注射器（4）提供推力的注射泵（5）装设在注射器（4）的上端，注射泵（5）与注射泵控制器（8）连接，注射泵控制器（8）用于控制注射泵（5）的工作状态；高压电源（6）用于为纺丝喷针（3）提供电压，且高压电源（6）与高压电源控制器（7）连接，高压电源控制器（7）用于控制高压电源（6）的工作状态；用于控制Z轴运动导轨（2）的运动状态的Z轴运动控制器（9）与Z轴运动导轨（2）的驱动装置连接；用于控制XY平面运动平台（1）的工作状态的XY运动平台控制器（10）与XY平面运动平台（1）的驱动装置连接；用于检测电纺电流参数的微电流检测器（12）装设在XY平面运动平台（1）的旁侧，微电流检测器（12）将检测的电纺电流参数反馈给用于确定电纺状态并调节电纺参数的电纺控制器（11），高压电源控制器（7）、注射泵控制器（8）、Z轴运动控制器（9）、XY运动平台控制器（10）与电纺控制器（11）连接，电纺控制器（11）用于协调高压电源控制器（7）、注射泵控制器（8）、Z轴运动控制器（9）、XY运动平台控制器（10）的控制状态，其特征在于光栅尺制造方法包括如下步骤：

16）制作尺坯：在玻璃面板（13）上镀上一层铬膜（14），预处理完成镀铬玻璃片的制造，镀铬玻璃片即为光栅尺坯；

17）电纺覆盖物：在镀铬玻璃片的镀铬表面用电纺的方法，在铬膜（14）表面形成非溶于腐蚀化学试剂聚合物覆盖物（15）；

18）化学腐蚀铬膜：即将表面覆盖有聚合物覆盖物（15）的镀铬玻璃片放入化学溶剂中定型和腐蚀，得到化学腐蚀后的表面有聚合物覆盖物（15）的镀铬玻璃片；

19）清除电纺覆盖物：将腐蚀后的镀铬玻璃片表面聚合物清理干净，并切成指定尺寸大小，即完成基于近场电纺直写技术的光栅尺制造。

2.根据权利要求1所述的基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法，其特征在于用于制作增量式光栅尺和绝对式光栅尺。

3.根据权利要求2所述的基于近场电纺直写技术的光栅尺制造方法，其特征在于上述步骤17）用电纺覆盖物的方法，能用于制作微纳级别的光栅尺。