传感器在很多领域发挥着重要的作用, 比如在自控系统中为机器人的运动设置界限, 或用做简单的重量量衡。 随着工业自动化水平的提高以及传感器的广泛应用, 对传感器装置的标准偏差的要求越来越严格; 与此同时, 传感器生产者也必须尽可能地对减少生产耗费, 提高生产效率以满足市场需求。 最近, 一种新型的全固体激光器成为了重要的微调工具, 从而传感器生产者可以更好地达到以上两个目的。

    微调

    微调是指通过切割或者修改一个或者多个电子元件, 以达到调节电路参数(通常是阻抗), 使得最终产品的响应在规定的标准偏差内的过程。大多数的微调都以主动的方式完成。在这种方式中, 一个或多个可微调的元件组合在一起成为一个传感电路(组件或者电路板), 启动电路, 由参考信号同时触发传感头, 微调加工其中的元件, 直到达到所希望的输出。

    现在, 主要的传感器的应用都使用表面安装 (SMT) 技术。典型的SMT 电阻由陶瓷载体、阻抗镀层 (一般是钌氧化物), 以及保护玻璃层构成, 通过两端的焊料导电。将被微调的电阻都有一个相当宽的阻抗范围 (典型地为+/-20%), 使用激光, 金刚石刀或者喷沙等方法对阻抗镀层进行切割(线型, L型, 或者曲线型), 直至将电阻值"微调"到一个期望的值, 最后用松香封合切缝。

    相比之下, 激光微调片状电容的加工过程实际上是气化电容表面电极的过程, 电容值将随着微调的进行而下降, 直至达到期望的值。表1中列出了激光微调片电容的调节范围。

    激光技术的革新

    原则上, 激光是微调的理想工具。使用激光进行微调, 切口光滑、明显, 并且彻底了消除喷沙法所带来的灰尘问题, 过程控制灵活； 同时因为是非接触法, 所以没有工具磨损的问题。

    多年来, 人们选择Nd:YAG 激光器作为理想的微调工具, 以Nd:YAG 晶体为增益介质, 采用高功率的氙灯泵浦, 输出近红外的激光脉冲, 波长为1064nm。

    这个波长的光束可以被将微调的材料有效吸收。但是, 闪光灯泵浦的低效率使得这种激光器需要持续的水冷却和大功率的三相电供电。高压供电电源的可靠性不可避免地将随着时间而变坏, 同时激光器本身也需要不断的维护保养, 比如, 定期(约500-600小时)更换闪光灯等…, 这些问题都将对实际的生产耗费产生不可估量的负面影响。

    随着新一代设计紧凑、全固态的半导体泵浦激光器的出现, 这些问题得以解决。因为半导体激光器的电功率转换效率很高, 约40%以上, 因而所带来的热散耗很小; 同时因其输出线宽窄, 所以泵浦效率很高, 约为宽带闪光灯的10倍以上。

    相比起闪光灯泵浦激光器, 全固化的激光器设计非常紧凑、结实、重量轻; 有些还不用水冷, 仅需100/200V 供电电源; 性能更可靠、光束质量更适合于微调应用。它们在超净车间内被完整装配后完全封离, 从而无需清洗和更换。同时因为功耗小, 所以可以在一个生产地点同时操作几台微调系统。长寿命(约15,000小时) 和免维护的特性使得这类封离型激光器的总体操作耗费比传统的激光器要小。

    从脉冲特性以及光束质量上来讲, 半导体泵浦的固体激光器更适合于工业应用:

    1.脉冲宽度更窄

    研究表明, 实际应用于材料加工只是激光脉冲的上升沿(10-20ns), 而脉冲的其余部分都要作为热散耗"加热"工件, 产生加工边缘的热损伤。热损伤会限制微调的精确性并对传感器产生潜在破坏。短的脉冲宽度减小了对材料的热损伤, 提高了加工精度。

    2.聚焦性能更好

    焦斑尺寸比传统闪光灯泵浦激光器可以被聚焦到的尺寸小10倍。从而, 即便是在相当低的平均功率下, 焦点位置上也有相对高的峰值功率密度。

    以上两个因素的结合使得半导体泵浦固体激光器的加工效率比同等功率的传统激光器高3-4倍。

    尽管有这些优点, 90年代初, 工业用半导体泵浦固体的应用仅限于低产量的应用中。主要是因为它们的平均输出功率较低 (<1W), 而价格相对较高。近来, 随着半导体激光器价格的降低, 从而可以在一个激光器中使用更多的半导体激光器作为泵浦源, 在提高总输出功率的同时不增加激光器的价格。功率价格比的升高, 使得半导体泵浦固体激光器迅速成为在微调应用中的主要工具和技术。

    系统集成

    传感器的生产商通常不会单独购买激光器, 激光器只是其中的一个重要的组件; 整套微调系统中还应包括扫描镜、聚焦镜、计算机或者微处理器、以及控制软件。通过软件控制切割不同的线型, 并支持持续的微调-测试-微调工作方式, 以及使用软件比较系统进行持续的反馈微调。操作者可以通过TTL 信号, I/O 口或者IEC 总线通信控制微调的速度和量值。

    更加复杂的系统提供更大的自动化程度, 比如, 带边缘探测软件的CCD成像系统能够自动判断可调区域, 而不用进行精确的准直。大的微调系统还可以装配自动进料和处理装置等, 以提高整机功能。

    LS Laser System GMBH是集成微调系统的主要供应商, 在这一行业中有着十多年的经验。他们使用的激光器有闪光灯泵浦的, 也有半导体泵浦的。该公司的Peter Lenk 先生说, "对于我们的客户来讲, 加工速度显得越来越重要。以往, 限制主动微调加工速度的是电子线路和测试系统的响应速度, 而今天SMT 传感器电路的响应速度已得到了可观的提高, 比如出现了数字多路测量装置等; 这样, 激光切割速度将很有可能是微调过程中的限制因素, 从而对生产耗费产生负面影响 - 尤其当微调系统被直接集成在生产线上时; 因为这道工序将是生产速度的瓶颈, 从而限制总体生产速度, 所以提高微调速度是特别重要的。

    Lenk 先生注意到: "最新的半导体泵浦固体激光器的平均功率可达几瓦, 与旧的产品相比有了很大的提高; 同时, 因为加工中真正重要的是峰值功率, 所以, 使用3W 的半导体泵浦固体激光器可以得到与传统闪光灯泵浦10W激光器同样的加工速度, 这使得我们的客户可以进行更快的微调以及在线加工。"

    更高的功率也带来了聚焦的灵活性。 Lenk 先生解释说: "在使用小功率的激光器时, 聚焦透镜的焦距必须很短, 这带来了两个弊端: 第一, 限制了激光光束的工作范围, 从而在加工大的SMT 电路过程中必需移动工件; 第二, 短焦距的聚焦镜焦深较短, 使得工件移动系统必须有更高的精度。

    最后, Lenk先生强调, 半导体泵浦固体激光器系统不需要水冷也是系统集成的一个重要优点。当激光器20年前首次被用于微调时, 主要被用于混合电路技术, 需要使用大功率的激光器, 从而需要同时配备大型的水冷系统提供激光器的冷却, 而现在, SMT 产品的出现以及半导体泵浦固体激光器的使用, 再不需要庞大的水冷系统了。