激光微加工变焦系统的控制算法研究.pdf

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1、精密制造与自动化2010年第1期；试验与研究30◇◇激光微加工变焦系统的控制算法研究王震陈涛北京工业大学激光工程研究院(100124)摘要提出了一种应用于激光微加工的变焦系统控制的算法。综合利用插补算法和变焦方程，使变焦系统中各运动镜头组获得相应的线性或非线性精确位移。并且控制运动镜头组以合理和稳定的速度移动。保证了通过掩模板的准分子激光光斑的连续和稳定的变化。变焦系统可以不更换掩模板而刻蚀出大小连续变化，形状相似的复杂结构。提高了准分子激光微加工的复杂度和分辨率。关键词激光微加工变焦距系统控制插补算法变焦方程微加工技术是MEM

2、S中的一项关键技术，而激各运动组份精准定位在最佳成像位置，从而实现高光微加工法是其中的一种主要方法。激光微加工中分辨率的激光加工。最常用的激光器是准分子激光器。这主要是因为准本实验室设计的用于准分子激光微加工的变焦分子激光波长处于紫外波段，单光子能量比较大，系统，首先对连续变化的微流道边缘线条进行插补运对于某些材料甚至可以直接将分子键打断，加工方算，其次把插补运算的结果与投影光斑的尺寸对应起式偏向于冷加工，并且加工的分辨率也较其它激光来，再将投影光斑尺寸的变化与变焦距系统的倍率的的分辨率高¨J。变化对应起来，最后根据倍率的变化通

3、过变焦方程计准分子激光微加工的一个应用方向就是刻蚀微算变焦系统中变焦组份相应的位移量和运动速度。工流道生物芯片。通常微流道生物芯片都包括有主流作原理如图l所示。道和支流道，不同流道的宽度不尽相同。加工过程加工同一线宽的微通道，变焦系统的变倍比保持中就需要使用不同形状，不同尺寸的掩模。目前使不变；加工线形变化的微流道，变焦系统的变倍比连用的准分子激光微加工系统，采用置换不同焦距的续改变使得准分子光斑的大小发生连续改变从而得聚焦物镜的方法来解决变焦距的光学聚焦问题。当到连续变化的微流道。聚焦物镜固定后，只有通过更换掩模板来改变刻蚀变

4、焦系的线宽，以提高准分子激光的加工精度，制作出更统改变加精细的微结构L3J。但是要得到结构较复杂，流道掩模投影的大分布较多的芯片时，往往需要多次临时中断加工过小程更换掩模，从而保证刻蚀出的微通道的宽度和深度准确。另外在激光波长一定的条件下，制作出更加精细的掩模版是有一定难度的。变焦距物镜用于准分子激光加工在技术上是一种突破。在准分子投影加工系统中，如果引入变焦物镜，就可以不更换图1变焦系统的工作原理掩模板刻蚀出大小连续变化而形状相似的结构，提高了微加工的效率和加工的复杂度。变焦系统中的1对微流道边缘线条的插补运算光学系统和控制系

5、统的性能直接决定了微加工的质通常微流道的边缘线条是按一定规律变化的。量。为了获得满意的成像质量，要求各运动镜组的一是线性变化，即连续变化的轮廓线条为直线；二位移准确。精确稳定的控制系统能使光学系统中的是按曲线规律变化，包括二次曲线，三次曲线甚至9王震等激光微加工变焦系统的控制算法研究高次曲线。计算机根据输入的基本数据，通过插补设三次曲线方程为：算法，把微流道的边缘线条描述出来。并根据计算y=ax3+bx2+cx+d(4)结果向x．y平面(把待加工的基片视为二维加工平进行的插补运算按两个原则进给：高次曲线插面)的两个坐标方向发出进

6、给命令。补可用沿切线方向的直线插补来实现。因此需要得1．1直线插补到三次曲线方程的切线方程：逐点比较法是直线插补常用的方法。逐点比较y'=3ax+2bx+c=lx【+(5)法是每进给一步判定一下加工点的位置，根据偏差式中a，b，C是任意整数或分数；P是3a，2b判别式的符号确定下一步的进给方向。逐点比较法和c分母的最小公倍数，且有a=3aP，bP，~,--cP。的原理简单明了，便于实现，且加工精度较高。曲线插补的比较判别函数的归纳结果如下：直线插补偏差判别函数：若≥0，向进给一步，新的Q、F值为：Fn挑一(1)Q1=Ql+2)【

7、n++1=E一2Ql+l(6)若≥0，则向+Ax方向进给一步，偏差公式为+l：一=一+1)Yz=一(2)若Fr,<0，向斗)，进给一步，新的Q、F值为：若F≤0，则l~+Ay方向进给一步，所以N1点Qn+1=Qn，Fo+l=Fo+2P(7)的偏差为：其中：Q=aX+,ax+(8)+l挑+1一+1)一=(3)初始时，在(2)，(3)两式中，新加工点的偏差+1是由前一步Fo=P—Oo=P一(ax+x0+)(9)的加工偏差函数递推出来的，这种递推方法简单式中Xo为起点的X坐标。明了且易于使用程序实现。图2所示为插补运算生图3所示为原始

8、曲线与插补运算得到的曲线的成的直线与原直线的对比。插补的线条在步长足够对比。小的情况下能够和原始直线非常地近似。332．52．5221．51．5l10．5O．51．2281．2261．2241．2221．221．2182．0282．032．0322．0342．0