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技術文章
激光切割機系統的三大法則
點擊次數：596 發布時間：2013-7-10
目前，激光切割機微系統和器件所使用的材料多以單晶硅、多晶硅、氧化硅和一些金屬，還有聚酰亞胺等高分子材料?；緲嫾饕屑毥z、懸臂梁、微橋、薄膜、齒輪和微軸承等，由這些基本構件組合成的結構不是傳統機械的簡單幾何縮小。當構件細微到微米／納米尺度后，材料本身的力學、物理性質及其受環境影響的程度有顯著變化，會出現強烈的尺寸效應、表面效應等。由于激光切割機加工工藝、結構尺寸不同，即使是同樣的材料也會表現出不同的材料特性，常規條件下的材料的力學性能參數已經不能滿足MEMS系統結構的設計要求。在微系統設計、制造中比較常見的材料特性測量包括測量材料的斷裂模數、彈性模量、應力應變、微摩擦特性等。目前，微系統材料激光切割機力學性能實驗具體按作用方式的不同將實驗方法分成納米硬度、彎曲、拉伸、扭轉這幾大類，每一大類中又包含數種測試方法。
?。?）接觸法
接觸法使用較廣，主要將壓針直接作用在試樣上。所用儀器主要有納米硬度計及其類似裝置、原子力顯微鏡等。
?。?）非接觸法
zui初的鼓膜實驗是用機械的方法將自由膜固定在一個具有圓孔的基體上，通過控制薄膜兩側的氣壓差使薄膜凹或凸起，測量在加壓力下薄膜中心的撓度，然后將壓力一撓度曲線轉化為應力一應變曲線，從而得到薄膜的力學性能。
（3）諧振法
通過檢測諧振頻率計算微梁的模量，是一種較早采用的動態測試方法。一種針對MEMS中zui主要的基本構件微懸臂梁、細絲、微橋和微軸承，采用彎曲法，基于USB接口的MEMS材料力學性能測控系統如圖所示。該系統由北京工業大學激光工程研究院微技術部開發，其硬件主要包括測試機、測控卡和計算機三大部分。系統結構，系統實物和硬件邏輯關系。激光切割機系統的軟件主要包括USB控制器芯片內部的固件程序（firmware）、上位機設備驅動程序、上位機應用程序三個部分。測試機是對式樣進行力學加載實驗的執行機構。通過三維精密移動臺的相互配合，其定位精度達到l~mo式樣加載臺位于步進電動平移臺上，步進電機通過精密絲杠傳動，帶動式樣加載臺，并通過壓針對式樣進行接觸式力的加載。其移動距離分辨率優于0.1um.在加載的同時，通過微觸力傳感器和位置傳感器（PSD）測量加載力的大小和壓針位移的大小，從而得到式樣受到力的大小和式樣形變的大小。在測量的過程中配以合適的測量方法使該系統的載荷分辨率達到2mN，位移分辨率優于lum.
對激光雕刻機靜態參數測量主要是針對微小構件的二維或三維尺寸、三維形貌的精密測量。目前，激光雕刻機光切法、干涉法、共焦顯微干涉法等非接觸測量方法已經成為對微/J、構件幾何量精密測量的主要方法，其中，將計算機視覺技術與光學顯微技術相結合的微視覺測量方法越來越受到重視。
微視覺激光雕刻機測量技術在微幾何量檢測領域越來越得到重視。對亞微米級的微機械量和幾何量的檢測和計量手段有：掃描電子顯微鏡（SEM）、掃描探針顯微鏡（SPM）、干涉顯微鏡、高精度輪廓儀、光電坐標測量機（CMM—Opt）等。其中，SEIM和SPM的測量范圍分布在幾納米到200um；白光干涉顯微鏡測量范圍分布在0.05um～0.6mm；輪廓儀測量范圍分布在0.1um~5mm；采用光探針（OpticalProbe）CMM測量范圍分布在1um～lOOOmm；具有機械式測頭（Me-chanicalProbe）的cMM對微機械量和幾何量檢測和計量相對較困難；激光雕刻機掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）就其測量精度和范圍屬于納米測量手段。
?。?）接觸法
接觸法使用較廣，主要將壓針直接作用在試樣上。所用儀器主要有納米硬度計及其類似裝置、原子力顯微鏡等。
?。?）非接觸法
zui初的鼓膜實驗是用機械的方法將自由膜固定在一個具有圓孔的基體上，通過控制薄膜兩側的氣壓差使薄膜凹或凸起，測量在加壓力下薄膜中心的撓度，然后將壓力一撓度曲線轉化為應力一應變曲線，從而得到薄膜的力學性能。
（3）諧振法
通過檢測諧振頻率計算微梁的模量，是一種較早采用的動態測試方法。一種針對MEMS中zui主要的基本構件微懸臂梁、細絲、微橋和微軸承，采用彎曲法，基于USB接口的MEMS材料力學性能測控系統如圖所示。該系統由北京工業大學激光工程研究院微技術部開發，其硬件主要包括測試機、測控卡和計算機三大部分。系統結構，系統實物和硬件邏輯關系。激光切割機系統的軟件主要包括USB控制器芯片內部的固件程序（firmware）、上位機設備驅動程序、上位機應用程序三個部分。測試機是對式樣進行力學加載實驗的執行機構。通過三維精密移動臺的相互配合，其定位精度達到l~mo式樣加載臺位于步進電動平移臺上，步進電機通過精密絲杠傳動，帶動式樣加載臺，并通過壓針對式樣進行接觸式力的加載。其移動距離分辨率優于0.1um.在加載的同時，通過微觸力傳感器和位置傳感器（PSD）測量加載力的大小和壓針位移的大小，從而得到式樣受到力的大小和式樣形變的大小。在測量的過程中配以合適的測量方法使該系統的載荷分辨率達到2mN，位移分辨率優于lum.
對激光雕刻機靜態參數測量主要是針對微小構件的二維或三維尺寸、三維形貌的精密測量。目前，激光雕刻機光切法、干涉法、共焦顯微干涉法等非接觸測量方法已經成為對微/J、構件幾何量精密測量的主要方法，其中，將計算機視覺技術與光學顯微技術相結合的微視覺測量方法越來越受到重視。
微視覺激光雕刻機測量技術在微幾何量檢測領域越來越得到重視。對亞微米級的微機械量和幾何量的檢測和計量手段有：掃描電子顯微鏡（SEM）、掃描探針顯微鏡（SPM）、干涉顯微鏡、高精度輪廓儀、光電坐標測量機（CMM—Opt）等。其中，SEIM和SPM的測量范圍分布在幾納米到200um；白光干涉顯微鏡測量范圍分布在0.05um～0.6mm；輪廓儀測量范圍分布在0.1um~5mm；采用光探針（OpticalProbe）CMM測量范圍分布在1um～lOOOmm；具有機械式測頭（Me-chanicalProbe）的cMM對微機械量和幾何量檢測和計量相對較困難；激光雕刻機掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）就其測量精度和范圍屬于納米測量手段。