一種基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造裝置及其方法。光柵尺制造裝置包括有XY平面運動平臺（1）、Z軸運動導(dǎo)軌（2）、紡絲噴針（3）、注射器（4）、注射泵（5）、高壓電源（6）、高壓電源控制器（7）、注射泵控制器（8）、Z軸運動控制器（9）、XY運動平臺控制器（10）、電紡控制器（11）、微電流檢測器（12），光柵尺制造裝置能夠根據(jù)想要刻畫光柵柵距，自動調(diào)節(jié)電紡參數(shù)。本發(fā)明光柵尺制造方法包括以下步驟：16）清洗玻璃片并在玻璃片上鍍上一層均勻鉻膜；17）通過電紡的方法按照想要刻的光柵排列在鍍鉻玻璃片上有序電紡直寫聚合物覆蓋線；18）將玻璃片放入化學(xué)溶劑中定形和腐蝕；19）清除電紡覆蓋物。本發(fā)明用電紡直寫的方法取代了傳統(tǒng)光柵尺制造中光刻的過程，可以加工制造出精度非常高的光柵尺。
【專利說明】一種基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造裝置及其方法，屬于基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造裝置及其方法的創(chuàng)新技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓靜電紡絲技術(shù)，是國內(nèi)外最近十幾年發(fā)展起來的用于制備超細纖維的重要方法。電紡絲技術(shù)最早由Formhzls在1934年提出，隨后Taylor等人于1964年對靜電紡絲過程中帶電聚合物的變形提出了泰勒錐這一概念，直到上個世紀(jì)90年代人們開始廣泛關(guān)注電紡絲技術(shù)。孫道恒等人于2006年提出了近場電紡直寫技術(shù)，近場電紡直寫技術(shù)具有可靠的沉積精度，且參數(shù)可控，為電紡納米纖維產(chǎn)業(yè)開拓了 一種新的方法。
[0003]利用光柵來進行位移測量要追朔到上個世紀(jì)50年代，在相當(dāng)長時問里，僅僅被天文學(xué)家和物理學(xué)家作為衍射元件應(yīng)用于光譜分析和光波波長的測定，最開始是基于雙光柵的莫爾條紋(Moire fringes)技術(shù),其柵距在20um左右,精度一般為幾個微米,但是隨著制造技術(shù)的進步?，F(xiàn)在的光柵柵距可以達到0.8咖，分辨力達到lnm。在生產(chǎn)、制造業(yè)的發(fā)展中扮演了重要角色。納米級的光柵測量是采用衍射光柵，光柵柵距是Ium或0.8um，柵線的寬度與光的波長很接近，則產(chǎn)生衍射和干涉現(xiàn)象能形成莫爾條紋，其測量的原理稱干涉原理。在現(xiàn)代機加行業(yè)中，大多采用光柵傳感器來進行位置反饋裝置。由于光柵尺能夠?qū)ο到y(tǒng)進行全閉環(huán)控制，降低滾珠絲杠熱變形等原因引起的誤差，提高加工精度，所以目前中高檔數(shù)控系統(tǒng)越來越多地采用光柵尺作為線位移反饋元件。
[0004]我國光柵數(shù)顯技術(shù)的發(fā)展從上世紀(jì)80年代以數(shù)顯技術(shù)改造傳統(tǒng)的機床行業(yè)為起點，目前，安裝于中高檔數(shù)控機床全閉環(huán)用的絕對式光柵尺全部依賴進口，這已經(jīng)成為制約我國高檔數(shù)控機床發(fā)展的技術(shù)“瓶頸”之一。國內(nèi)封閉式玻璃光柵尺的最大測量長度為3m,準(zhǔn)確度有± 15 μ m、± 10 μ m、±5 μ m和±3 μ m,分辨力有5 μ m、I μ m和0.1 μ m,速度為60m/min，主要應(yīng)用于手動數(shù)顯機床。要實現(xiàn)量程上百毫米、納米級分辨率的位移測量，只有部分激光干涉類和光柵類位移測量儀器可以勝任。但激光干涉儀對環(huán)境條件的要求苛刻，致使應(yīng)用受限。而光柵式測長儀器雖已有成型產(chǎn)品，但主要來自國外公司，這些產(chǎn)品不但價格不菲，部分高精度的產(chǎn)品對中國地區(qū)的銷售存在著諸多限制。
[0005]傳統(tǒng)的光柵尺加工加工主要由尺坯制造，光刻(曝光)，化學(xué)腐蝕三個步驟組成。傳統(tǒng)的光柵尺制造，具有刻線深度受限、刻線邊緣效應(yīng)不好等缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便的基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造裝置。
[0007]本發(fā)明的另一目的是提供一種基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造方法。本發(fā)明針對傳統(tǒng)的光柵尺制造，刻線邊緣效應(yīng)不好這一缺陷，提出通過電紡直寫覆蓋層的方式取代傳統(tǒng)光刻的方法制造光柵尺。本發(fā)明在鍍鉻玻璃板上直寫出覆蓋層，用于防止覆蓋層下所鍍鉻被腐蝕，從而形成比傳統(tǒng)光刻邊緣效應(yīng)更好的柵線；另外，由于電紡直寫聚合物覆蓋層寬度為微米級甚至可以達到納米級，因此基于基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造方法可以加工制造出精度非常高的光柵尺。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是:本發(fā)明基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造裝置，包括有XY平面運動平臺、Z軸運動導(dǎo)軌、紡絲噴針、注射器、注射泵、高壓電源、高壓電源控制器、注射泵控制器、Z軸運動控制器、XY運動平臺控制器、電紡控制器、微電流檢測器，其中XY平面運動平臺用于固定鍍鉻玻璃片，并提供XY平面方向的相對運動；z軸運動導(dǎo)軌用于提供Z方向的距離控制；用于實施電紡的紡絲噴針裝設(shè)在用于為電紡提供聚合物材料的注射器的下端，用于為注射器提供推力的注射泵裝設(shè)在注射器的上端，注射泵與注射泵控制器連接，注射泵控制器用于控制注射泵的工作狀態(tài)；高壓電源用于為紡絲噴針提供電壓，且高壓電源與高壓電源控制器連接，高壓電源控制器用于控制高壓電源的工作狀態(tài)；用于控制Z軸導(dǎo)軌的運動狀態(tài)的Z軸運動控制器與Z軸導(dǎo)軌的驅(qū)動裝置連接；用于控制XY平面運動平臺的工作狀態(tài)的XY平臺運動控制器與XY平面運動平臺的驅(qū)動裝置連接；用于檢測電紡電流參數(shù)的微電流檢測器裝設(shè)在平面運動平臺的旁側(cè)，微電流檢測器將檢測的電紡電流參數(shù)反饋給用于確定電紡狀態(tài)并調(diào)節(jié)電紡參數(shù)的電紡控制器，高壓電源控制器、注射泵控制器、Z軸運動控制器、XY運動平臺控制器與電紡控制器連接，電紡控制器用于協(xié)調(diào)高壓電源控制器、注射泵控制器、Z軸運動控制器、XY運動平臺控制器的控制狀態(tài)。
[0009]本發(fā)明基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造方法，包括如下步驟:
16)制作尺坯:在玻璃面板上鍍上一層鉻膜，預(yù)處理完成鍍鉻玻璃片的制造，鍍鉻玻璃片即為光柵尺坯；
17)電紡覆蓋物:在鍍鉻玻璃片的鍍鉻表面用電紡的方法，在鉻膜(14)表面形成非溶于腐蝕化學(xué)試劑聚合物覆蓋物；
18)化學(xué)腐蝕鉻膜:即將表面覆蓋有聚合物覆蓋物的鍍鉻玻璃片(12)放入化學(xué)溶劑中定型和腐蝕，得到化學(xué)腐蝕后的表面有聚合物覆蓋物的鍍鉻玻璃片；
19)清除電紡覆蓋物:將腐蝕后的鍍鉻玻璃片表面聚合物清理干凈，并切成指定尺寸大小，即完成基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:
1)本發(fā)明所述基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造裝置，能夠根據(jù)想要刻畫光柵柵距，自動調(diào)節(jié)電紡參數(shù)；
2)本發(fā)明所述基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造裝置，具有良好的自動化操作性
倉泛;
3)本發(fā)明基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造方法，比傳統(tǒng)光柵尺刻畫方式簡單易操
作；
4)本發(fā)明基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造方法，用電紡直寫覆蓋物的方法替代了傳統(tǒng)光柵尺制造過程中曝光光阻的過程，避免了傳統(tǒng)光柵尺加工中曝光過程中激光燒結(jié)造成的邊緣效應(yīng)齒狀化，提供了擁有較好邊緣效應(yīng)的光柵刻線，比傳統(tǒng)光柵尺刻畫方式所刻光柵邊緣效應(yīng)要好。
[0011]5 )本發(fā)明所述基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造方法，可以用于制作絕對式透射光柵和增量式透射光柵。[0012]6)本發(fā)明所述基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造方法，可以制作納米級的光柵。
[0013]本發(fā)明是一種設(shè)計巧妙，性能優(yōu)良，方便實用的基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造裝置及其方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造裝置示意圖；
圖2為基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造方法流程圖；
圖3為鍍鉻玻璃片示意圖；
圖4為表面有聚合物覆蓋物的鍍鉻玻璃片正視圖；
圖5為化學(xué)腐蝕后的表面有聚合物覆蓋物的鍍鉻玻璃片正視圖；
圖6為最終成型光柵尺的俯視圖；
圖7為最終成型光柵尺的正視圖。
【具體實施方式】
[0015]實施例:
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，本發(fā)明基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造裝置，包括有XY平面運動平臺、Z軸運動導(dǎo)軌、紡絲噴針、注射器、注射泵、高壓電源、高壓電源控制器、注射泵控制器、Z軸運動控制器、XY運動平臺控制器、電紡控制器、微電流檢測器，其中XY平面運動平臺I用于固定鍍鉻玻璃片12，并提供XY平面方向的相對運動；2軸運動導(dǎo)軌2用于提供Z方向的距離控制；紡絲噴針3用于實施電紡；注射器4用于為電紡提供聚合物材料；注射泵5用于為注射器4提供推力；高壓電源6用于為紡絲噴針提供電壓；高壓電源控制器9用于控制高壓電源6的工作狀態(tài)；注射泵控制器8用于控制注射泵5的工作狀態(tài)；Z軸運動控制器9用于控制Z軸導(dǎo)軌2的運動狀態(tài)；XY平臺運動控制器10用于控制XY平面運動平臺I的工作狀態(tài)；電紡控制器11用于在生產(chǎn)制造中協(xié)調(diào)控制高壓電源控制器7、注射泵控制器8、Ζ軸運動控制器9、ΧΥ運動平臺控制器10的控制狀態(tài)、微電流檢測器12用于檢測電紡電流參數(shù)，并反饋給電紡控制器11，電紡控制器11用于確定電紡狀態(tài)并調(diào)節(jié)電紡參數(shù)，高壓電源控制器7、注射泵控制器8、Z軸運動控制器9、XY運動平臺控制器10與電紡控制器11連接，電紡控制器11用于協(xié)調(diào)高壓電源控制器7、注射泵控制器8、Ζ軸運動控制器9、XY運動平臺控制器10的控制狀態(tài)。
[0016]本發(fā)明所述基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造方法流程圖如圖2所示，其具體制造步驟如下:
16)制作尺坯:切割一塊玻璃面板，清洗玻璃面板13，并在玻璃面板13上電鍍上一層厚為T的鉻膜14。根據(jù)一般光柵尺制造加工工藝，鉻層厚度I應(yīng)與光柵尺光柵柵距?保持1:100左右的關(guān)系。該鍍鉻玻璃片(12)即為所加工尺坯，如圖3所示。
[0017]17)電紡覆蓋物:即將鉻玻璃片12沿電紡運動方向固定在XY平面運動平臺I上，啟動電紡裝置，通過微電流檢測器12檢測電紡電流參數(shù)，并反饋給電紡控制器11，從而改變高壓電源控制器7、注射泵控制器8、Z軸運動控制器9、XY運動平臺控制器10的控制參數(shù)，改變電紡參數(shù)，從而使得所紡聚合物覆蓋物15的貼合玻璃面寬度d和所要加工柵尺光柵柵距ff相同。按照柵線排布在鉻膜(14)上覆蓋出有規(guī)律的聚合物覆蓋物15。制成表面有聚合物覆蓋物15的鍍鉻玻璃片12，如圖4所示。
[0018]18)化學(xué)腐蝕鉻膜:即將表面覆蓋有聚合物覆蓋物15的鍍鉻玻璃片12放入化學(xué)溶劑中定型和腐蝕。得到，化學(xué)腐蝕后的表面有聚合物覆蓋物15的鍍鉻玻璃片12如圖5所
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[0019]19)清除電紡覆蓋物:將腐蝕后的玻璃片表面聚合物清理干凈，并切成指定尺寸大小，即完成基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造。得到，最終成型的光柵尺如圖6、圖7所示。將制成后的玻璃片切成指定大小時，可以同時得到多塊基于電紡直寫技術(shù)制作的的光柵尺。
[0020]本發(fā)明針對傳統(tǒng)的光柵尺制造，刻線邊緣效應(yīng)不好這一缺陷，提出通過電紡直寫覆蓋層的方式取代傳統(tǒng)光刻的方法制造光柵尺。本發(fā)明的目的是提供一種基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造方法，直寫在鍍鉻玻璃板上直寫出覆蓋層，用于防止覆蓋層下所鍍鉻被腐蝕，從而形成比傳統(tǒng)光刻邊緣效應(yīng)更好的柵線；另外，由于電紡直寫聚合物覆蓋層寬度為微米級甚至可以達到納米級，因此基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造方法可以加工制造出精度非常高的光柵尺。
[0021]本發(fā)明的工作原理如下:
近場電紡可以實現(xiàn)直徑由納米級到微米級范圍內(nèi)近百種不同聚合物納米纖維、各種類型聚合物、無機物復(fù)合納米纖維及無機納米纖維的制備。由于鉻膜具有導(dǎo)電性，因此可以直接在其上進行電紡操作。
[0022]另外，微電流檢測器可以檢測到電紡的微電流狀態(tài)，從而可以判斷出電紡直徑的大??；可以通過電紡控制器，調(diào)節(jié)高壓電源控制器、注射泵控制器、Z軸運動控制器、XY運動平臺控制器，從而控制電紡纖維直徑與所想要刻畫柵線相同。
[0023]此外，若想要刻畫柵線間距為d，則控制電紡纖維貼合玻璃面寬度為d，則對想要刻畫光柵尺的相鄰編碼電紡平臺在刻畫方向上移動距離為2d。
[0024]另外，所電紡聚合物應(yīng)不溶于腐蝕鉻所用化學(xué)試劑，因此可以阻擋住覆蓋部鉻膜不會被腐蝕，從而完成光柵的刻畫。此外，電紡聚合物在鉻膜表面形成覆蓋物容易被清洗。
【權(quán)利要求】
1.一種基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造裝置，其特征在于包括有XY平面運動平臺(I)、Z軸運動導(dǎo)軌(2)、紡絲噴針(3)、注射器(4)、注射泵(5)、高壓電源(6)、高壓電源控制器(7)、注射泵控制器(8)、Z軸運動控制器(9)、XY運動平臺控制器(10)、電紡控制器(11)、微電流檢測器(12)，其中XY平面運動平臺(I)用于固定鍍鉻玻璃片(12)，并提供XY平面方向的相對運動；Z軸運動導(dǎo)軌(2)用于提供Z方向的距離控制；用于實施電紡的紡絲噴針(3)裝設(shè)在用于為電紡提供聚合物材料的注射器(4)的下端，用于為注射器(4)提供推力的注射泵(5)裝設(shè)在注射器(4)的上端，注射泵(5)與注射泵控制器(8)連接，注射泵控制器(8)用于控制注射泵(5)的工作狀態(tài)；高壓電源(6)用于為紡絲噴針(3)提供電壓，且高壓電源(6)與高壓電源控制器(7)連接，高壓電源控制器(7)用于控制高壓電源(6 )的工作狀態(tài)；用于控制Z軸導(dǎo)軌(2)的運動狀態(tài)的Z軸運動控制器(9)與Z軸導(dǎo)軌(2)的驅(qū)動裝置連接；用于控制XY平面運動平臺(I)的工作狀態(tài)的XY平臺運動控制器(10)與XY平面運動平臺(I)的驅(qū)動裝置連接；用于檢測電紡電流參數(shù)的微電流檢測器(12)裝設(shè)在平面運動平臺(I)的旁側(cè)，微電流檢測器(12)將檢測的電紡電流參數(shù)反饋給用于確定電紡狀態(tài)并調(diào)節(jié)電紡參數(shù)的電紡控制器(11)，高壓電源控制器(7)、注射泵控制器(8)、Z軸運動控制器(9)、XY運動平臺控制器(10)與電紡控制器(11)連接，電紡控制器(11)用于協(xié)調(diào)高壓電源控制器(7)、注射泵控制器(8)、Z軸運動控制器(9)、XY運動平臺控制器(10)的控制狀態(tài)。
2.一種基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造方法，其特征在于包括如下步驟: 16)制作尺坯:在玻璃面板(13)上鍍上一層鉻膜(14)，預(yù)處理完成鍍鉻玻璃片(12)的制造，鍍鉻玻璃片(12)即為光柵尺坯； 17)電紡覆蓋物:在 鍍鉻玻璃片(12)的鍍鉻表面用電紡的方法，在鉻膜(14)表面形成非溶于腐蝕化學(xué)試劑聚合物覆蓋物(15)； 18)化學(xué)腐蝕鉻膜:即將表面覆蓋有聚合物覆蓋物(15)的鍍鉻玻璃片(12)放入化學(xué)溶劑中定型和腐蝕，得到化學(xué)腐蝕后的表面有聚合物覆蓋物(15)的鍍鉻玻璃片(12)； 19)清除電紡覆蓋物:將腐蝕后的鍍鉻玻璃片(12)表面聚合物清理干凈，并切成指定尺寸大小，即完成基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造方法，其特征在于用于制作增量式光柵尺和絕對式光柵尺。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于近場電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造方法，其特征在于上述步驟2)用電紡直寫覆蓋物的方法，能用于制作微納級別的光柵尺。
【文檔編號】G01B11/02GK103900480SQ201410099638
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】王晗, 李敏浩, 陳新, 陳新度, 巫孟良, 朱自明, 韋青海, 唐立虎, 李炯杰 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)