文档介绍：图像处理技术在表晶音叉片激光刻蚀微调中的应用
林志雄
(莆田学院电子信息工程系,福建,莆田,351100)
摘要:激光刻蚀微调是表晶音叉片频率微调的一种新方法。提出了一个基于图像处理的方案对待加工的音叉片边缘进行检测并计算出相应的可用刻蚀面积。该方案可以很好地解决纠正由于音叉片排列不整齐造成刻蚀位置无法确定而带来的加工速度低下的问题,并能根据刻蚀面积进行加工预判,降低了废品率。
关键字:石英谐振音叉;图像处理;位置检测;激光刻蚀
中图分类号: 文献标识符:A
0 前言
32768Hz双电极型电子表晶振具有体积小、精度高、频率稳定性好等特点,被广泛应用在各种电路中,国内厂商每年产量在十亿颗以上,但缺少成熟完整的自动化生产线[1]。表晶频率微调工序收稿日期:2009-04-27
作者简介:林志雄(1971-),男,莆田学院电子信息工程系,讲师,主要从事嵌入式系统应用及智能传感器方面的研究。Email: ******@opt.
是涉及频率调整的最后一道工序,调整范围要求精确度高,国内多采用手工加工方式,生产效率低下。国内已见相应的晶振激光微调生产工艺相关文献,大多采用控制激光束能量大小及银层削薄等方法[2-3],对材料及激光束输出能量稳定性要求高,频率调整量较小,难于实现工业应用。
本文作者曾提出一个基于激光小孔刻蚀的频率微调解决方案,并设计了软硬件系统实现了频率微调[4],可以替代手工操作,但在实际运行中加工速度与产品合格率受音叉片安装位置精度的影响较大,难于得到良好的加工效果。本文在原方案的基础上,采用图像处理技术来测量每批待加工音叉片的实际边缘位置并计算可刻蚀面积,以便进行加工预判并准确驱动激光进行相应位置的加工,并设计了一个光电系统实现激光精确刻蚀。结果表明新方案能极大地提高加工速度及合格率,达到预期设计目标。
1 激光小孔刻蚀微调方案
激光微调的解决方案
通过改变银层质量可以实现频率微调,具体的方法有“减”与“加”质量两种方法,传统的方法有砂轮细磨或银层蒸发微调等。
晶体表面负载物质质量与谐振频移变化的关系可由Sauerbrey方程描述[5]:
(1)
式中:f0为晶片的原始谐振频率,ρq为晶体的密度,μq为晶体的剪切弹性模量,对于某一特定晶片,f0、ρq、μq均为常数;Δf为晶片的频率变化量,Δm为晶片的质量变化,A为晶片的总有效面积。
据此作者曾提出一个音叉片激光刻蚀方案:利用激光的热加工特性,将具有高能量密度的激光束照射在被加工音叉片两臂的前端,在照射区域内产生热反应,使两臂表面银层温度上升并气化形成一个个细小的孔,这些小孔的产生改变了银层质量,从而达到频率微调的目的。
图1显示了音叉振片外观及激光刻蚀示意图。由式1知,当小孔刻蚀面积远小于音叉片总有效面积A时,刻蚀面积对应的被气化掉的银层质量与频率变化量Δf近似成线性关系。故本方案将激光输出能量设置于某一足于刻蚀掉银层的阈值之上,通过多个不同的光束X/Y
步进距离设置连续打孔以刻蚀掉不同面积的银层来实现频率微调。
a. 音叉振片外观
a. Appearance of crystal fork
b. 刻蚀示意图
b. Schematic of engraving
c. 刻蚀效果(局部)
c. Processing