СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЛЬЕФНЫХ РИСУНКОВ НА СФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЯХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01C25/00 G02B27/18 

Изобретение относится к области точного приборостроения, а именно к технологии изготовления рельефных рисунков различного функционального назначения, например, при изготовлении чувствительных элементов электростатических гироскопов (ЧЭ ЭСГ).

Известен способ изготовления смазочных канавок на сферической поверхности подшипника фотолитографическим методом, выбранный в качестве аналога (см. патент Великобритании N 1428690, МКИ G 02 B 27/18, НКИ 2, опубликованный 17.03.76). По этому способу формирование изображения на сферической поверхности, покрытой слоем фоторезиста, производят с плоского фотошаблона в сходящихся лучах света. Этот способ не позволяет получить изображение на всей сферической поверхности и поэтому не может быть применен для изготовления рельефных рисунков на деталях ЧЭ ЭСГ.

Известен способ изготовления рисунка на сферической поверхности ротора ЧЭ ЭСГ фотолитографическим методом и устройство для его реализации, выбранные в качестве прототипов (см. Б.Н. Агроскин, В.И. Галай и др. Сравнительная оценка электрохимического и фотохимического методов формообразования светоконтрастного рисунка на роторе бескарданного электростатического гироскопа. Гироскопия и навигация. N 3 (14), 1996, с. 39-45). По этому способу сферический ротор ЧЭ ЭСГ обрабатывают механически, очищают от органических и неорганических загрязнений, наносят пленочное металлическое покрытие и затем слой фоторезиста. Формирование рисунка на сферической поверхности ротора выполняют с помощью специального проекционного устройства в расходящихся когерентных лучах света с плоского фотошаблона, установленного между источником света и ротором, причем рисунок на плоском фотошаблоне представляет собой конформное отображение заданного рисунка на сферической поверхности ротора. Проекционное устройство состоит из мощного аргонового лазера и оптической системы, состоящей из нескольких элементов, позволяющих формировать точечный источник излучения, управлять параметрами светового потока и производить юстировку оптических элементов схемы. Оптическая схема формирования точечного излучения включает расположенные за лазером устройство линейного перемещения его луча и многолинзовый объектив. По данному способу и устройству, предназначенному для его реализации, изготавливают также и электродную систему для электростатического подвеса ротора на каждой из двух диэлектрических полусфер, составляющих вакуумную камеру ЧЭ ЭСГ.

Известный способ и устройство для его реализации обладают следующими недостатками.

1. Угол расхождения пучка света и расстояния от его фокуса до плоского фотошаблона и сферы должны быть выдержаны с высокой точностью, что значительно усложняет конструкцию проекционного устройства и приводит к неминуемым погрешностям формы и размеров рельефного рисунка на сфере.

2. При проекционном способе формирования изображения рельефного рисунка неизбежна размытость края линий, связанная с дифракцией света, что снижает точность и приводит к усложнению конструкции проекционного устройства.

3. В процессе экспонирования неизбежна "паразитная" засветка (особенно при обработке внутренних сферических поверхностей), которая приводит к искажению формы рисунка.

Задача, которую решает данное изобретение, заключается в повышении точности изготовления рельефного рисунка на сферических поверхностях вакуумной камеры и ротора ЧЭ ЭСГ и упрощении конструкции проекционного устройства.

Эта задача решается тем, что в известном способе изготовления рельефного рисунка на сферических поверхностях, включающем механическую обработку поверхностей, их очистку от органических и неорганических загрязнений, нанесение на них металлического покрытия и затем слоя фоторезиста, на котором формируют световое изображение с плоского фотошаблона и одним из методов фотолитографии получают требуемый рисунок, световое изображение формируют на наружной сферической поверхности конечного элемента проектирующего устройства и переносят его непосредственно на примыкающий к ней фоторезистивный слой, нанесенный на внутреннюю сферическую поверхность вакуумной камеры или наружную сферическую поверхность ротора ЧЭ ЭСГ.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для осуществления предложенного способа, содержащем оптические элементы и плоский фотошаблон, конечный оптический элемент представляет собой волоконно-оптический преобразователь изображения, который состоит из регулярно уложенных оптических волокон, торцы которых образуют с одной стороны плоскую, а с другой сферическую поверхности, причем плоская поверхность примыкает к фотошаблону, а сферическая - к сферической поверхности засвечиваемой детали.

Поставленная задача решается также тем, что сферическая поверхность конечного оптического элемента - волоконно-оптического преобразователя - выполняется выпуклой с расходящимися световодами от плоской поверхности к сферической, причем диаметры волокон увеличиваются от плоской поверхности к сферической, или вогнутой со сходящимися световодами от плоской поверхности к сферической, причем диаметры волокон уменьшаются от плоской поверхности к сферической.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом (фиг. 1-4). Сферические поверхности вакуумной камеры, изготовленной из диэлектрика, и/или ротора, изготовленного из металла, ЧЭ ЭСГ прошлифовывают, доводят до заданного размера и полируют до получения необходимой чистоты поверхности (12-13 класс). Затем сферические поверхности деталей 1 очищают от органических и неорганических загрязнений и одним из известных способов, например, конденсацией с ионной бомбардировкой или магнетронным распылением плазмы, наносят слой металла 2 заданной толщины. Далее на сферическую поверхность, покрытую слоем металла, наносят слой фоторезиста 3, используя, например, центрифугу, аэрограф или метод принудительного ламинирования. Затем эту сферическую поверхность совмещают с наружной (фиг. 1, 3) или внутренней (фиг. 2, 4) поверхностью волоконно-оптического преобразователя 4 до непосредственного контакта и формируют на поверхности преобразователя световое изображение заданного рельефа с плоского фотошаблона 5, используя неорганизованный пучок света 6, выходящий из источника света 7. Рисунок рельефа на фотошаблоне представляет собой конформное отображение (для фиг. 1,2) при параллельном переносе или уменьшенное конформное отображение (для фиг. 3) или увеличенное конформное отображение (для фиг. 4) на плоскости заданного рисунка рельефа на сферической поверхности обрабатываемой детали. Световое изображение рисунка рельефа со сферической поверхности преобразователя переносится на непосредственно примыкающий к ней фоторезистивный слой, нанесенный на сферическую поверхность обрабатываемой детали. После экспозиции и последующего проявления обнажившиеся в соответствии с рисунком рельефа участки металла стравливают и остатки фоторезиста удаляют.

Устройство для реализации предлагаемого способа состоит из следующих оптических элементов (см. фиг. 1-4). Конечным оптическим элементом является волоконно-оптический преобразователь 4, представляющий собой плоско-сферическую волоконно-оптическую линзу (фиг. 1, 2) или фокон со сферической выборкой (фиг. 3, 4), состоящий из сужающихся волокон, уменьшающих (фиг. 4) или увеличивающих (фиг. 3) изображение при передаче его с одного торца на противоположный, сферическая поверхность которых непосредственно прилегает к сферической поверхности засвечиваемой детали 1. На плоской поверхности преобразователя изображения точно выставлен плоский фотошаблон, который освещают неорганизованным световым потоком света 6, выходящим из источника света 7. Рисунок с плоского фотошаблона отображается на сферической поверхности преобразователя в виде истинного изображения, которое переносится на фоторезистивный слой, нанесенный на сферическую поверхность детали.

Принципиальное отличие предлагаемого способа изготовления рельефного рисунка на сферической поверхности деталей от способа, выбранного в качестве прототипа, заключается в том, что световое изображение по предлагаемому способу формируют на сферической поверхности волоконно-оптического преобразователя, а лишь затем оно переносится на сферическую поверхность детали, в то время как по способу - прототипу изображение рельефа проецируется непосредственно на эту поверхность. Таким образом фактически осуществляется контактная печать с плоского фотошаблона на сферическую поверхность, в результате чего удается реализовать преимущества контактной фотолитографии перед проекционной, т.е. повышение точности изготовления рельефного рисунка.

Принципиальное отличие предлагаемого проекционного устройства от прототипа состоит в том, что конечный оптический элемент представляет собой волоконно-оптический преобразователь изображения, который состоит из регулярно уложенных оптических волокон, торцы которых образуют с одной стороны плоскую, а с другой сферическую поверхности, причем плоская поверхность примыкает к фотошаблону, а сферическая - к сферической поверхности засвечиваемой детали.

Отличие предлагаемого устройства от прототипа заключается также в том, что сферическая поверхность конечного оптического элемента - волоконно-оптического преобразователя - вогнутая со сходящимися световодами от плоской поверхности к сферической, причем диаметры волокон уменьшаются от плоской поверхности к сферической (см. фиг. 4).

Также отличие предлагаемого устройства от прототипа заключается в том, что сферическая поверхность конечного оптического элемента - волоконно-оптического преобразователя - выпуклая с расходящимися световодами от плоской поверхности к сферической, причем диаметры волокон увеличиваются от плоской поверхности к сферической (см. фиг. 3).

Волоконно-оптические преобразователи изображения, использованные в двух последних вариантах предлагаемого устройства, изготавливали из переходной области волоконно-оптического фокона по обычной технологии, принятой при изготовлении оптических элементов из стекла, например сферических линз (см. фиг. 5). 8 - преобразователь изображения для внутренних сферических поверхностей; 9 - преобразователь изображения для наружных сферических поверхностей.

Пример 1. Проводят изготовление электродной системы вакуумной камеры ЧЭ ЭСГ. Каждую из двух керамических полусфер с впаянными гермовводами и смотровым окном прошлифовывают по внутреннему диаметру, доводят до заданного размера и полируют до получения необходимой чистоты поверхности (12 - 13 класс). Затем керамические полусферы очищают от органических и неорганических загрязнений и методом конденсации с ионной бомбардировкой на внутреннюю поверхность полусферы напыляют сплошную пленку молибдена толщиной 3 мкм. Далее на сферическую поверхность наносят слой фоторезиста ФП - 383 толщиной 1 - 2 мкм совместно двумя методами: центрифугированием и пульверизацией. Затем проводят сушку фоторезистивного слоя при температуре 95^oC в течение 30 минут. При засветке фоторезистивного слоя используют проектирующее устройство, конечным оптическим элементом которого является преобразователь изображения, который состоит из регулярно уложенных оптических волокон, торцы которых образуют с одной стороны плоскую, а с другой сферическую поверхности, причем плоская поверхность примыкает к фотошаблону, а сферическая - к фоторезистивному слою, нанесенному на внутреннюю сферическую поверхность керамической полусферы. Преобразователь изображения представляет собой плоско-сферическую линзу, изготовленную из спеченного волоконно-оптического материала с регулярной укладкой световодов. Диаметр световедущих жил 6 - 8 мкм. Направление укладки - перпендикулярно плоской поверхности преобразователя с допуском перпендикулярности ± 0.001 мм. Рисунок рельефа на фотошаблоне представляет собой конформное отображение на плоскости заданного рисунка на сферической поверхности при параллельном переносе. Радиус сферической поверхности преобразователя соответствует радиусу полусферической камеры ЧЭ ЭСГ с учетом толщины фоторезистивного слоя. Засветку производят с помощью люминесцентного осветителя ОИ-18А, снабженного ртутной лампой СВД-120 мощностью 120 Вт. Время экспозиции составляет 30 минут. Проявляют фоторезистивную пленку в 6% растворе КОН в течение 1 минуты при температуре 20^oC и сушат проявленный слой при температурах 95^oC (20 минут) и 140^oC (40 минут). Обнажившиеся в соответствии с рисунком участки молибдена стравливают. Травитель молибдена наряду с азотной кислотой содержит хлорное железо и перекись водорода. Затем с помощью растворителя удаляют оставшиеся участки фоторезистивной пленки.

В результате проведенных операций с помощью предложенного способа и устройства для его осуществления на внутренней сферической поверхности вакуумной камеры образовался заданный рисунок электродной системы. На основании испытаний электродной системы, изготовленной по предлагаемому способу, было установлено ее полное соответствие требованиям чертежа.

Пример 2. По предлагаемому способу изготовлен растровый рисунок на роторе ЧЭ ЭСГ. Поверхность ротора с целью получения заданного размера и чистоты поверхности (12 класс) обрабатывают механически шлифованием с последующей доводкой абразивными пастами. Обрабатываемый ротор очищают от органических и неорганических загрязнений и методом конденсации с ионной бомбардировкой на наружную сферическую поверхность ротора напыляют сплошное покрытие нитрида титана. Далее методом принудительного ламинирования на сферическую поверхность ротора в широтном направлении наносят слой фоторезиста ФП - 383. Затем проводят сушку фоторезистивного слоя при температуре 95^oC в течение 30 минут. При засветке фоторезистивного слоя используют проектирующее устройство, конечным оптическим элементом которого является преобразователь изображения, который состоит из регулярно уложенных оптических волокон, торцы которых образуют с одной стороны плоскую, а с другой сферическую поверхности, причем плоская поверхность примыкает к фотошаблону, а сферическая - к фоторезистивному слою, нанесенному на наружную сферическую поверхность ротора. Преобразователь изображения представляет собой плоско-сферическую линзу, изготовленную из спеченного волоконно-оптического материала с регулярной укладкой световодов. Направление укладки - перпендикулярно плоской поверхности преобразователя. Рисунок рельефа на фотошаблоне представляет собой конформное отображение на плоскости заданного рисунка на сферической поверхности при параллельном переносе. Радиус сферической поверхности преобразователя соответствует радиусу ротора ЧЭ ЭСГ с учетом толщины фоторезистивного слоя. Засветку производят с помощью стандартного люминесцентного осветителя. Время экспозиции составляет 30 минут. Проявляют фоторезистивную пленку в 6% растворе КОН в течение 1 минуты при температуре 20^oC и сушат проявленный слой при температурах 95^oC (20 минут) и 140^oC (40 минут). Затем ионно-плазменным методом напыляют слой светоконтрастного по сравнению с нитридом титана металла, например молибдена, на обнажившиеся в соответствии с рисунком участки нитрида титана. Затем с помощью растворителя удаляют оставшиеся участки фоторезистивной пленки и получают растровый светоконтрастный рисунок, состоящий из светлых полос нитрида титана и темных полос молибдена, изготовленный по предлагаемому способу с использованием предлагаемого проекционного устройства и соответствующий требованиям чертежа.

Пример 3. Проводят изготовление электродной системы вакуумной камеры ЧЭ ЭСГ. Каждую из двух керамических полусфер с впаянными гермовводами и смотровым окном прошлифовывают по внутреннему диаметру, доводят до заданного размера и полируют до получения необходимой чистоты поверхности (12-13 класс). Затем керамические полусферы очищают от органических и неорганических загрязнений и методом конденсации с ионной бомбардировкой на внутреннюю поверхность полусферы напыляют сплошную пленку молибдена толщиной 3 мкм. Далее на сферическую поверхность наносят слой фоторезиста ФП - 383 толщиной 1 - 2 мкм совместно двумя методами: центрифугированием и пульверизацией. Затем проводят сушку фоторезистивного слоя при температуре 95^oC в течение 30 минут. При засветки фоторезистивного слоя используют проектирующее устройство, конечным оптическим элементом которого является преобразователь изображения, который представляет собой оптический элемент, изготовленный из переходной области фокона с расходящимися световодами от плоской поверхности к сферической, причем диаметры волокон увеличиваются от плоской поверхности к сферической. Рисунок рельефа на фотошаблоне представляет собой уменьшенное конформное отображение на плоскости заданного рисунка на сферической поверхности. Радиус сферической поверхности преобразователя соответствует радиусу полусферической камеры ЧЭ ЭСГ с учетом толщины фоторезистивного слоя. Засветку производят с помощью люминесцентного осветителя ОИ-18А, снабженного ртутной лампой ОВД-120 мощностью 120 Вт. Время экспозиции составляет 10 минут. Проявляют фоторезистивную пленку в 6% растворе КОН в течение 1 минуты при температуре 20^oC и сушат проявленный слой при температурах 95^oC (20 минут) и 140^oC (40 минут). Обнажившиеся в соответствии с рисунком участки молибдена стравливают. Травитель молибдена наряду с азотной кислотой содержит хлорное железо и перекись водорода. Затем с помощью растворителя удаляют оставшиеся участки фоторезистивной пленки. В результате проведенных операций с помощью предложенного способа и устройства для его осуществления на внутренней сферической поверхности вакуумной камеры образовался заданный рисунок электродной системы. На основании испытаний электродной системы, изготовленной по предлагаемому способу, было установлено ее полное соответствие требованиям чертежа.

Пример 4. По предлагаемому способу изготовлен растровый рисунок на роторе ЧЭ ЭСГ. Поверхность ротора с целью получения заданного размера и чистоты поверхности (12 класс) обрабатывают механически шлифованием с последующей доводкой абразивными пастами. Обрабатываемый ротор очищают от органических и неорганических загрязнений и методом конденсации с ионной бомбардировкой на наружную сферическую поверхность ротора напыляют сплошное покрытие нитрида титана. Далее методом принудительного ламинирования на сферическую поверхность ротора в широтном направлении наносят слой фоторезиста ФП - 383. Затем проводят сушку фоторезистивного слоя при температуре 95^oC в течение 30 минут. При засветки фоторезистивного слоя используют проектирующее устройство, конечным оптическим элементом которого является преобразователь изображения, который представляет собой оптический элемент, изготовленный из переходной области фокона со сходящимися световодами от плоской поверхности к сферической, причем диаметры волокон уменьшаются от плоской поверхности к сферической. Рисунок рельефа на фотошаблоне представляет собой увеличенное конформное отображение на плоскости заданного рисунка на сферической поверхности при параллельном переносе. Радиус сферической поверхности преобразователя соответствует радиусу ротора ЧЭ ЭСГ с учетом толщины фоторезистивного слоя. Засветку производят с помощью стандартного люминесцентного осветителя. Время экспозиции составляет 10 минут. Проявляют фоторезистивную пленку в 6% растворе КОН в течение 1 минуты при температуре 20^oC и сушат проявленный слой при температурах 95^oC (20 минут) и 140^oC (40 минут). Затем ионно-плазменным методом напыляют слой светоконтрастного по сравнению с нитридом титана металла, например молибдена, на обнажившиеся в соответствии с рисунком участки нитрида титана. Затем с помощью растворителя удаляют оставшиеся участки фоторезистивной пленки и получают растровый светоконтрастный рисунок, состояли из светлых полос нитрида титана и темных полос молибдена, изготовленный по предлагаемому способу с использованием предлагаемого проекционного устройства и соответствующий требованиям чертежа.

Способ и устройство предназначены для использования при изготовлении чувствительных элементов электростатических гироскопов. На сферические поверхности вакуумной камеры и ротора последовательно наносят сплошное металлическое покрытие и затем слой фоторезистора. Формируют световое изображение с плоского фотошаблона на наружной сферической поверхности конечного элемента проектирующего устройства и переносят его непосредственно на примыкающий к ней фоторезистивный слой. Устройство содержит оптические элементы и плоский фотошаблон. Конечный оптический элемент представляет собой волоконно-оптический преобразователь изображения, который состоит из регулярно уложенных оптических волокон, торцы которых образуют с одной стороны плоскую, а с другой сферическую поверхности. Плоская поверхность примыкает к фотошаблону, а сферическая - к сферической поверхности засвечиваемой детали. Сферическая поверхность волоконно-оптического преобразователя может выполняться выпуклой с расходящимися световодами от плоской поверхности к сферической, причем диаметры волокон увеличиваются от плоской поверхности к сферической, или вогнутой со сходящимися световодами от плоской поверхности к сферической, причем диаметры волокон уменьшаются от плоской поверхности к сферической. Обеспечиваются повышение точности изготовления рельефного рисунка и упрощение конструкции проекционного устройства. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ изготовления рельефных рисунков на сферических поверхностях, включающий механическую обработку поверхностей, их очистку, нанесение на них последовательно сплошных слоев покрытия и фоторезиста, формирование на последнем светового изображения через плоский фотошаблон и получение требуемого рельефного рисунка, отличающийся тем, что световое изображение формируют на выходной сферической поверхности конечного элемента проектирующего устройства и переносят его на непосредственно примыкающий к ней фоторезистивный слой, нанесенный на вогнутую и/или выпуклую сферические поверхности деталей. 2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее оптические элементы и плоский фотошаблон, отличающееся тем, что конечный оптический элемент выполнен в виде волоконно-оптического преобразователя изображения, состоящего из регулярно уложенных оптических волокон, торцы которых образуют с одной стороны плоскую, а с другой сферическую поверхности, причем плоская поверхность примыкает к фотошаблону, а сферическая - к сферической поверхности засвечиваемой детали. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что волоконно-оптический преобразователь изображения выполнен с расходящимися световодами от плоской поверхности к выпуклой сферической поверхности, причем диаметры волокон увеличиваются от плоской поверхности к сферической. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что волоконно-оптический преобразователь изображения выполнен со сходящимися световодами от плоской поверхности к вогнутой сферической поверхности, причем диаметры волокон уменьшаются от плоской поверхности к сферической.