微球探针激光快速加工成形系统设计*

唐海容， 许 斌， 赵世平

(四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065)

微球探针激光快速加工成形系统设计*

唐海容， 许 斌， 赵世平

(四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065)

为了方便快捷地制备微球探针，设计了一种微球探针激光快速加工成形系统。该系统主要由激光光源、激光控制器、光束调整组件、机械定位组件四个部分构成。通过该系统对微球探针进行加工实验，得到了尖端无明显缺陷且具有较好球形质量的微球探针，实验表明：该激光快速加工成形系统能够满足微球探针快速成形的制备要求。

加工系统； CO2激光； 微加工； 微球探针

0 引 言

微孔、沟槽等微结构几何特征的测量是当前微测量领域的研究热点。微球探针作为微型测量仪器中一个重要的接触定位元件，其市场需求日益增长[1]。但是，微球探针的制备操作流程复杂耗时，而且探针尖端容易吸附灰尘等杂质，不适宜长期存放，需要现用现制，因此，研制操作简单、快速的成形加工装置是解决当前球形尖端探针制备问题的重要途径。国内外学者已经做出了诸多探索：Fan K C[2,3]、赵健[4]、余慧娟等[5]学者利用商用光纤电弧熔接机的清洁功能制得球形探针。其加工系统主要由商用光纤电弧熔接机和外加的水平旋转机构构成，受熔接机系统配置影响，加工工艺参数调节范围有限，不能依据实验特殊需求灵活调节。为提高加工装置的可调节性，Wang Z W[6],Ji H[7],李勇等[8]学者根据放电电弧加工原理自行搭建了球形探针加工原型系统，并进行了球形探针的试制，但该加工原型系统的加工参数和加工精度有待进一步研究。

本文介绍了一种微球探针激光加工系统，通过调节激光加工系统的脉冲宽度调制(PWM)信号频率、占空比、激光作用时间三个参数控制微球探针的成形，为微球探针的快速成形提供了一种新的方法。

1 微球探针激光快速成形过程

随着激光器的迅速发展，激光加工已经被广泛的应用于微纳制造领域[9]。与电弧热加工相比，激光束加工具有能量密度高、加工速度快，对非激光辐照部位影响极小等特点，非常适合微球探针快速成形。具体成形过程如图1所示，激光辐照于探针毛坯尖端待加工区域，为其提供材料软化所需的能量。探针毛坯尖端吸收激光辐照能量后，内部分子热运动加剧，材料温度升高到达软化点，被加工区域材料迅速软化形成熔体。由于表面张力的作用，毛坯尖端熔体发生质量移动逐渐形成一个球缺，球缺不断变大形成球状液滴。撤去激光后，球状液滴在极短的时间内冷却，球形尖端形成。

图1 微球探针激光成形过程示意图Fig 1 Diagram of microsphere probes laser forming process

2 微球探针激光快速加工成形系统

自制的微球探针激光快速加工成形系统示意图如图2所示，系统主要由激光光源、激光控制器、光束调整组件、机械定位组件四个部分构成。激光光源包括激光器、冷却系统、直流电源等，为系统提供探针快速加热成形所需的激光。光束调整组件包括红光指示器、合束镜、聚焦镜等，实现激光光束的汇合和聚焦。机械定位组件由精密位移平台和夹具组成，用于待加工微探针毛坯的夹持和定位。

图2 微球探针激光快速加工成形系统Fig 2 Laser beam machining system for fabricating microsphere probes

所选择的激光器的种类由被加工的微探针材料决定。因为项目所使用的微探针毛坯多为光纤、玻璃等非金属材料，而这些材料对可见光透过率高达90 %，无明显热效应；对CO2激光的吸收率可达90 %[10]，具有明显热效应，因此本系统采用CO2激光作为热源进行加工。系统中使用的是美国SYNRAD公司的firestar series OEM CO2激光器。该激光器使用射频激励，而且射频电源已经集成，结构紧凑，具有放电均匀、注入功率密度高、寿命长、光束质量高、电转换效率高等特点。在冷却系统的作用下，激光输出功率稳定度高达±3 %，能为系统提供稳定地TEM00激光。

由于CO2激光的波长为10.6 μm，属于人眼不可见的红外激光，使得系统光学组件的安装调节和毛坯的定位变得十分困难。因此，本系统引入了红光指示器，利用其发出的能量较低且光斑可见的红色激光标示系统中的CO2激光来辅助微探针毛坯尖端定位。

CO2激光光斑的大小决定加工区域的大小，减小激光光斑可以降低激光对微探针毛坯非加工区域的热影响，提高系统加工的精度。因此，本系统使用聚焦镜对CO2激光光束进行聚焦来得到较小的激光光斑。综合考虑毛坯夹持、机械定位的操作空间和加工区域大小等因素，系统选用焦距为101.6 mm的聚焦镜。激光器输出CO2激光经过聚焦后激光光斑半径约为246 μm。

除了激光光斑尺寸，激光器的输出功率也会直接影响微球探针的成形效果。激光器输出功率的调节是由激光控制器完成的。上述激光控制器采用PWM技术，其激光控制器产生的PWM信号通过激光器的射频电源与激光器内的射频激励信号耦合，控制激光器内放电板的电压存在时间，实现激光输出光功率的调控。通过PWM信号的频率、占空比和持续时间等参数，就可以调控系统的激光输出功率和作用时间。

3 加工实验工序与实验结果

微球探针制备实验所用的毛坯是尖端直径约16 μm的石英玻璃锥形毛坯，如图3(a)所示。加工前需要使用棉花攒取工业酒精小心地擦拭尖端去除毛坯尖端附着的杂质。准备好毛坯后，将毛坯尖端朝下，竖直向下装载并用夹具固定。接着调节X,Y,Z三维微位移平台使装载好的毛坯大致位于透镜焦平面位置，打开已经安装调试好的加工成形系统中各设备电源，根据红光指示器发出的指示红光进行毛坯尖端位置细调。当指示红光与毛坯尖端正交时，指示红光经毛坯尖端衍射会在光束阻挡器上投射出红色水平线形光斑。在光束阻挡器上看到线形光斑时，毛坯初始定位完成。然后在激光控制器上设置PWM信号的频率、占空比和激光作用时间三个加工参数。最后正确穿戴激光防护设备开始加工操作。

图3 锥形毛坯和微球探针的SEM照片Fig 3 SEM photos of tapered semi-finished product and microsphere probe

激光加工完成后，小心取下微球探针并使用扫描电子显微镜对成形结果进行观测。图3(b)为微球探针激光快速加工成形系统加工制得的微球探针，其加工参数为PWM信号频率为3 kHz，占空比为40 %，激光作用时间为1 s。从

图中可以看出:探针尖端微球表面质量较好，无明显缺陷，有少量杂质附着，尖端微球直径约188.6 μm。

4 结 论

设计了一个微球探针激光快速加工成形系统，并使用该系统成功制得了尖端球形直径约为188.6 μm微球探针。该系统操作简单，耗时短，系统的PWM信号频率、占空比和激光作用时间三个参数调节方便，可以根据实验特殊需求灵活调整，能够满足微球探针快速制备的要求，为微球探针的快速成形提供了一种新的方法。未来将就该加工成形系统的加工参数对微球探针成形质量的影响，以及加工工艺参数的优化等问题做进一步研究。

[1] 李志渤,黄强先,赵 剑,等.接触测量中的微探球力变形研究[J].中国机械工程,2014,25(14):1926-1929.

[2] Fan K C,Hsu H Y,Hung P Y,et al.Experimental study of fabricating a microball tip on an optical fibre[J].Journal of Optics A:Pure and Applied Optics,2006,8(9):782-787.

[3] Fan K C,Wang W,Chiou H S.Fabrication optimization of a micro-spherical fiber probe with the Taguchi method[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2008,18(1):8.

[4] Zhao J,Huang Q X,Huang S.The fabrication and inspection of a microball made of optical fibre for micro-nano coordinating mea-suring machine[J].Advanced Materials Research,2012,472-475:2397-2400.

[5] Yu H J,Huang Q X,Zhao J.Fabrication of an optical fiber micro-sphere with a diameter of several tens of micrometers[J].Mate-rials,2014,7(7):4878-4895.

[6] Wang Z W,Fan K C,Li R J,et al.Experimental study on fabricating micro monolithic tungsten probing ball for micro-CMM[C]∥Proceedings of SPIE，The International Society for Optical Engineering,2013:87594.

[7] Ji H,Chua J,Hsu H Y,et al.Development of a fabrication process for the manufacturing of a microspherical probe for coordinate measuring machine applications[J].Journal of Mechanical Design,2011,133(11):111003.

[8] 李 勇,田旭辉,董珊珊,等.光纤探头烧结电路设计[J].低温与超导,2013(7):81-83.

[9] 邬 泳,傅 星,周志远,等.应用于短脉冲激光加工的自动调焦系统[J].传感器与微系统,2010,29(5):105-108.

[10] 曹明翠.激光热加工[M].武汉: 华中理工大学出版社,1995.

许 斌，通讯作者，E—mail：bin_xu@scu.edu.cn。

Design of laser beam machining system for rapid fabricating microsphere probes*

TANG Hai-rong, XU Bin, ZHAO Shi-ping

(School of Manufacturing Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

Microsphere probe is an important part of micro/nano precision measuring instruments,and it is widely applied in field of micromachining and precision measurement.In order to conveniently fabricate microsphere probes,a laser beam machining system for rapid fabricating microsphere probes is designed.The laser beam machining system is mainly composed of four parts,which are laser light source,laser controller,beam adjustment component and mechanical positioning components.By using the system, microsphere probe with a good ball tip is fabricated.Experimental results show that laser beam machining system can satisfy requirement of rapid fabricating microsphere probes.

machining system; CO2laser; micro-machining; microsphere probe

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0062—02

2016—03—21

国家自然科学基金资助项目(51405314)；中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室开放基金资助项目(KF15004)；中央高校基本科研业务费资助项目(2015SCU04A12)

TH 711

A

1000—9787(2016)07—0062—02

唐海容(1988-)，女，四川广元人，硕士研究生，研究方向为传感器及应用、微探针制备。