一种用于芯片质子交换的机械臂控制夹具及其使用方法与流程

本发明涉及集成光学技术领域，更具体的说，涉及一种用于芯片质子交换的机械臂控制夹具及其使用方法。

背景技术：

铌酸锂材料具有优异的电光、声光及非线性光学效应，在光调制领域有着广泛的应用。质子交换铌酸锂波导的折射率增量具有各向异性，异常光折射率增大，寻常光折射率略微减小，因此，质子交换铌酸锂波导还具有偏振效果，是一种单偏振的光波导。质子交换铌酸锂波导集成相位调制器，集分束、合束、偏振、电光调制功能于一身，在光纤陀螺领域有着极其重要的作用。高温退火质子交换技术是制作铌酸锂集成光学调制器的最主流技术。

退火质子交换技术制造铌酸锂光波导的方法主要包括清洗衬底片、在衬底片上制备掩膜、光刻出波导图形、质子交换、退火、端面抛光等步骤。其中的质子交换过程是这一技术的核心，主要包括以下步骤：a、将用于装载铌酸锂基片的石英夹具、用于盛装质子交换液的石英管道和已经光刻出波导图形的铌酸锂基片分别清洗干净；b、用天平称取适量的苯甲酸锂和苯甲酸晶体在石英管道中进行混合，得到用于进行质子交换的苯甲酸混合溶液，在石英管道上安装热电偶后将石英管道放入到加热炉中；c、启动加热炉，将石英管道内的质子交换液加热至200℃，再缓慢升温至240℃并保持稳定；d、将铌酸锂基片装载到石英夹具上，在烘箱中预热至240℃，将预热好的石英夹具从烘箱中取出后迅速放入到质子交换液中进行质子交换。目前，质子交换工艺操作过程主要依靠人工完成。

根据上述质子交换过程的步骤，步骤c中盛装质子交换液的石英管道和步骤d中预热夹具的烘箱是隔开的。从烘箱中取出石英夹具再放入质子交换液的过程中石英夹具的温度会先下降再上升，该操作传统情况下都是人工完成。人工操作难以避免质子交换液的气体挥发，给操作人员身体造成一定伤害。并且打开交换炉的操作还会导致质子交换炉内的温度波动，给质子交换带来难以控制的不确定性。

技术实现要素：

为此，本发明的目的在于提出一种用于芯片质子交换的机械臂控制夹具及其使用方法，用以解决质子交换过程中人工操作芯片移动的问题，其具体技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种用于芯片质子交换的机械臂控制夹具，固定于质子交换炉的顶端及内部，包括：

固定模块，所述固定模块包括互相连接的固定底座和温度隔绝机构，所述固定底座安装于所述质子交换炉的顶端；

电机控制装置，所述电机控制装置设于所述温度隔绝机构的内部且其上设置有位移控制按钮；

传动装置，所述传动装置安装于所述温度隔绝机构上且与所述电机控制装置电连接；

机械转动悬臂，所述机械转动悬臂与所述传动装置转动连接；所述传动装置上设置有能够操纵所述机械转动悬臂实现上下运动的摇臂结构，所述摇臂结构由所述电机控制装置控制；

机械位移臂，所述机械转动悬臂远离所述传动装置的端部与所述机械位移臂的一端固连，所述机械位移臂的另外一端伸入机械位移臂滑动槽内且能够实现与所述机械位移臂滑动槽的相对滑动；所述传动装置上还设置有能够操纵所述机械位移臂实现水平运动的伸缩结构，所述伸缩结构由所述电机控制装置控制；

夹具卡持模块，所述机械位移臂滑动槽远离所述机械位移臂的端部与所述夹具卡持模块的一端垂直固连；

芯片夹具，所述芯片夹具包括夹具杆和芯片放置槽，所述夹具卡持模块的另外一端与所述夹具杆连接，所述夹具杆远离所述夹具卡持模块的一端与所述芯片放置槽连接；所述芯片放置槽为一用于固定铌酸锂基片的玻璃皿；

所述传动装置、所述机械转动悬臂、所述机械位移臂、所述夹具卡持模块以及所述芯片夹具均位于所述质子交换炉的内部。

本发明提供的上述用于芯片质子交换的机械臂控制夹具，可以机械控制铌酸锂基片的移动，有效地减小质子交换过程中的人工操作及开关质子交换炉给交换过程带来的温度波动，从而减小对操作人员的身体伤害并提高质子交换制作铌酸锂光波导的稳定性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可做出如下改进：

优选的，所述位移控制按钮包含“上”、“下”、“左”、“右”四个方位的位移控制，以实现所述芯片夹具四个维度的移动控制。

优选的，所述夹具卡持模块与所述夹具杆通过插接方式实现固定；所述夹具卡持模块与所述夹具杆相连接的一端内部设有与所述夹具杆外径相匹配的中空槽。

优选的，所述夹具卡持模块采用聚合物材料制作而成。

优选的，所述夹具杆与所述芯片放置槽为一体成型结构。

优选的，所述夹具杆与所述芯片放置槽采用二氧化硅材料制作而成。

二氧化硅材料不与苯甲酸熔液反应，因此可全程参与质子交换。质子交换完成后，可用酒精清洗烘干，可反复使用，重复利用率高。

优选的，所述芯片放置槽为一直径15-25cm的底部镂空、带有芯片槽隔板的玻璃皿。

另一方面，本发明还提供了一种根据上述的机械臂控制夹具进行质子交换的方法，包括以下步骤：

s1：将铌酸锂基片放入所述芯片放置槽内；

s2：通过所述位移控制按钮控制所述机械转动悬臂和所述机械位移臂，以将所述芯片放置槽缓慢放入所述质子交换炉中石英管道内质子交换液的上方，进行预热；

s3：待所述质子交换炉控制界面显示温度稳定后，通过所述位移控制按钮将所述芯片放置槽下放到所述质子交换炉中石英管道的底部进行质子交换；

s4：质子交换结束后，通过所述位移控制按钮控制所述芯片放置槽移出所述质子交换炉，关闭质子交换炉控制程序。

优选的，所述芯片放置槽在质子交换液内停留的时长控制在3min-6min的范围。

优选的，在执行该方法之前，须先将盛装有质子交换液的石英管道放入所述质子交换炉内，接着，启动所述质子交换炉将石英管道内的质子交换液加热至200℃，再缓慢升温至240℃并保持稳定；之后，将铌酸锂基片先装载到铌酸锂基片夹具上，在烘箱中预热至240℃，再将其放入所述芯片放置槽内。

通过采用上述技术方案，本发明的优点在于：

本发明一种用于芯片质子交换的机械臂控制夹具，通过驱动传动装置与执行装置(机械转动悬臂、机械位移臂以及机械位移臂滑动槽)来控制芯片夹具的移动，从而根据质子交换进程让装有铌酸锂基片的芯片放置槽悬于质子交换液面之上，或者浸没在质子交换液中。机械控制的芯片夹具由四自由度的执行装置和芯片夹具构成，可以通过电机控制装置控制芯片夹具上下、前后位移。用于芯片质子交换的液体是一种在质子交换温度下易挥发、对人体有害的有机物，使用机械控制的芯片夹具进行质子交换，可以避免质子交换过程中的人工操作，减小质子交换过程中质子交换液气体挥发对人体造成的伤害，从而可以提高质子交换过程的安全性和可操控性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种用于芯片质子交换的机械臂控制夹具的结构示意图。

图2附图为图1中机械位移臂相对机械位移臂滑动槽滑动的示意图。

图3附图为图1中机械转动悬臂相对传动装置转动的示意图。

图4附图为本发明提供的芯片夹具的结构示意图。

图5附图为本发明提供的夹具卡持模块与芯片夹具的连接结构示意图。

图6附图为本发明提供的机械转动悬臂与传动装置的连接结构示意图。

图7附图为本发明提供的机械位移臂与机械位移臂滑动槽的连接结构示意图。

图8附图为本发明提供的一种根据机械臂控制夹具进行质子交换的方法的流程示意图。

其中，图中，

1-固定底座，2-温度隔绝机构，3-电机控制装置，4-位移控制按钮，5-传动装置，6-机械转动悬臂，7-机械位移臂，8-机械位移臂滑动槽，9-夹具卡持模块，10-夹具杆，11-芯片放置槽，12-固定螺钉。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

下面根据图1-8详细描述本发明实施例的一种用于芯片质子交换的机械臂控制夹具及其使用方法。

本发明实施例公开了一种用于芯片质子交换的机械臂控制夹具，主要用于铌酸锂基片制作的质子交换过程对芯片夹具进行移动操控，具体来说，就是通过驱动传动装置5与执行装置来控制芯片夹具进行上下左右移动。如图1、2、3所示，该机械臂控制夹具包括：固定模块、电机控制装置3、传动装置5、机械转动悬臂6、机械位移臂7、机械位移臂滑动槽8、夹具卡持模块9、芯片夹具。

固定模块包括互相连接的固定底座1和温度隔绝机构2，固定底座1安装于质子交换炉的顶端，具体实施时，在本发明实施例提供的上述机械臂控制夹具中，如图1所示，整个夹具通过固定模块固定在质子交换炉上，固定模块包括固定底座1和温度隔绝机构2，起着固定夹具结构和隔温保护电机控制装置3的作用。

电机控制装置3设于温度隔绝机构2的内部且其上设置有位移控制按钮4，该位移控制按钮4包含“上”、“下”、“左”、“右”四个方位的位移控制，以实现芯片夹具四个维度的移动控制。

传动装置5安装于温度隔绝机构2上且与电机控制装置3电连接，即传动装置5被电机控制装置3所控制。

机械转动悬臂6与传动装置5转动连接，具体为，如图6所示，机械转动悬臂6通过转轴或转动旋钮与传动装置5相连接；传动装置5上设置有能够操纵机械转动悬臂6实现上下运动的摇臂结构，摇臂结构由电机控制装置3及相应的电机进行控制。进一步的，该摇臂结构能够精准控制机械转动悬臂6(也就是芯片夹具)的上下位移。

机械转动悬臂6远离传动装置5的端部与机械位移臂7的一端固连，如图7所示，机械位移臂7的另外一端伸入机械位移臂滑动槽8内且能够实现与机械位移臂滑动槽8的相对滑动；传动装置5上还设置有能够操纵机械位移臂7实现水平运动的伸缩结构，伸缩结构由电机控制装置3及相应的电机进行控制。进一步的，伸缩结构能够精准控制机械位移臂7(也就是芯片夹具)的水平位移。

夹具卡持模块9采用聚合物材料制作而成，如图1所示，机械位移臂滑动槽8远离机械位移臂7的端部与夹具卡持模块9的一端通过固定螺钉12垂直固连。

如图4、5所示，芯片夹具包括夹具杆10和芯片放置槽11，夹具卡持模块9的另外一端与夹具杆10通过插接方式实现固定，具体的，夹具卡持模块9与夹具杆10相连接的一端内部设有与夹具杆10外径相匹配的中空槽；夹具杆10远离夹具卡持模块9的一端与芯片放置槽11连接。如图4所示，夹具杆10与芯片放置槽11为一体成型结构，且二者采用二氧化硅材料制作而成。

上述中的夹具杆10长40cm，直径3cm，下部的芯片放置槽11为一直径15-25cm的底部镂空、带有芯片槽隔板的玻璃皿，用于固定铌酸锂基片的玻璃皿。

上述传动装置5、机械转动悬臂6、机械位移臂7、夹具卡持模块9以及芯片夹具均位于质子交换炉的内部。

本发明实施例提供的上述用于芯片质子交换的机械臂控制夹具，通过机械转动悬臂6和机械位移臂7控制芯片夹具四个方向的移动，以实现质子交换过程中对芯片操控的机械化，可以有效地减小质子交换过程中的人工操作及开关质子交换炉给交换过程带来的温度波动，从而可以减小了对操作人员的身体伤害并提高质子交换制作铌酸锂光波导的稳定性。

本发明实施例还公开了一种根据机械臂控制夹具进行质子交换的方法，如图8所示，包括以下步骤：

s1：将铌酸锂基片放入芯片放置槽11内；

s2：通过位移控制按钮4控制机械转动悬臂6和机械位移臂7，以将芯片放置槽11缓慢放入质子交换炉中石英管道内质子交换液的上方，进行预热；

s3：待质子交换炉控制界面显示温度稳定后，通过位移控制按钮4将芯片放置槽11下放到质子交换炉中石英管道的底部进行质子交换；

s4：质子交换结束后，通过位移控制按钮4控制芯片放置槽11移出质子交换炉，关闭质子交换炉控制程序。

上述步骤s3中，芯片放置槽11在质子交换液内停留的时长控制在3min-6min的范围，优选时长为5min。

在执行上述方法之前，须先将盛装有质子交换液的石英管道放入质子交换炉内，接着，启动质子交换炉将石英管道内的质子交换液加热至200℃，再缓慢升温至240℃并保持稳定；之后，将铌酸锂基片先装载到铌酸锂基片夹具上，在烘箱中预热至240℃，再将其放入芯片放置槽11内。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。