声表面波辅助掩膜电解的装置与方法 |
|||||||
| 申请号 | CN202311169969.7 | 申请日 | 2023-09-12 | 公开(公告)号 | CN117139754A | 公开(公告)日 | 2023-12-01 |
| 申请人 | 大连理工大学; | 发明人 | 杜立群; 杨晓臣; 郭柄江; 王帅; 蔡小可; 刘军山; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种声表面波辅助掩膜 电解 的装置与方法，属于电解加工领域。该装置的压电陶瓷粘贴在 基板 上。基板具有反应槽， 阳极 工件 布置于反应槽下方， 阴极 位于反应槽的上方。反应槽中的电解液由入 水 泵 供给，并由出水泵泵出。基于该装置，打开入水泵和出水泵，进行电解液循环；通过驱动线为压电陶瓷通入兆 声波 信号 ，压电陶瓷的所产生的兆声振动以声表面波的形式在基板和阳极工件表面传播，并从阳极工件的待加工表面 辐射 至反应槽中的电解液；通过电源线为阳极工件和阴极接入直流电，实现阳极工件的电解加工。本发明简单可靠，能够提高掩膜电解加工的传质效果，实现金属微结构的高 精度 加工。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种声表面波辅助掩膜电解的装置，其特征在于，所述的装置包括防水盖(1)、软管(2)、入水泵(3)、出水泵(4)、电源线(5)、驱动线(6)、阴极(7)、阳极组件(8)、电解系统(9)、平开门(10)；所述的电源线(5)的正极与阳极组件(8)中的阳极工件(81)相连，负极与阴极(7)相连；入水泵(3)通过软管(2)定量地将电解液(11)从电解系统(9)中的储液槽(91)输送至阳极组件(8)中的反应槽(821)，出水泵(4)通过软管(2)将反应后的电解液输送回储液槽(91)，防水盖(1)遮挡住储液槽(91)；驱动线(6)接通阳极组件(8)中的压电陶瓷(83)；软管(2)、入水泵(3)、出水泵(4)、电源线(5)、驱动线(6)、阴极(7)、阳极组件(8)均置于电解系统(9)中，平开门(10)与电解系统(9)连接。 |
||||||
| 说明书全文 | 声表面波辅助掩膜电解的装置与方法技术领域[0001] 本发明涉及一种掩膜电解加工方法，特别是一种声表面波辅助掩膜电解的装置与方法，属于电解加工领域。 背景技术[0002] 随着工业产品的精密化和微细化，金属微结构(器件)的市场需求急剧增加。制作金属微结构的方法主要有：LIGA技术或UV‑LIGA技术、机械微加工技术、电火花加工、激光加工、化学刻蚀、掩膜电解加工等。其中，掩膜电解加工具有加工后无毛刺、不变形、大批量、低成本等优势，是制备金属微结构、特别是难加工金属微结构的主流技术。 [0003] 传统的掩膜电解加工的工艺流程为：将绝缘掩膜图形置于阳极工件的待加工表面，在阳极工件与平板阴极之间充满电解液，阴阳极之间接通电源后进行电解加工，去除绝缘掩膜后在工件表面得到微结构。目前掩膜电解加工存在电解产物排出困难的问题，气泡和固体杂质无规律附着在加工表面，造成阳极工件溶解不均，从而直接影响金属微结构的加工精度和表面质量。 [0004] 针对金属微结构加工表面质量差的问题，发明专利CN 107116274 A提出了一种空化射流辅助掩膜电解加工方法。该方法利用空化射流电解液溃灭所形成的微型水射流排出电解产物，提高加工表面质量。由于空化射流电解液溃灭所产生的能量较大，空化射流辅助掩膜电解加工方法对掩膜的损害较大。发明专利CN 106312206A提出了一种活动掩膜电解加工装置与方法。该方法将金属多孔介质紧贴于阳极工件，向多孔介质上方泵入电解液后，电解液从多孔介质四周流出，使极间传质顺畅，流场分布均匀，提高加工精度。由于电解液是从外部泵入，电解液的动能在流动过程中不断损耗，待加工深宽比达到一定程度后，电解液的流动能力受限，所以活动掩膜电解加工方法在加工大深宽比结构时能力有限。发明专利CN 109773292 A提出了一种兆声掩膜电解加工高深宽比微结构的装置及方法。该方法利用压电陶瓷粘贴在阳极工件背面，向电解液中辐射兆声波，通过兆声波产生的声流喷射效应将刻蚀产物及时排出。由于兆声具有穿透能力强、空化作用小的特点，该方法对微结构和胶膜无损伤，可提高掩膜电解加工精度。但是由于兆声的方向性，兆声的作用区域取决于压电陶瓷的大小。当阳极工件过大时，难以制作与阳极工件尺寸相当的压电陶瓷，所以该方法能够加工工件的尺寸受限。 发明内容[0005] 为了克服传统掩膜电解加工加工精度低、表面质量差的问题，本发明提供一种声表面波辅助掩膜电解的装置与方法，将声表面波按照特定的方式引入掩膜电解过程中。通过声表面波在工件表面传播，促进电解液对加工表面的冲刷作用，提高掩膜电解加工的加工精度和表面质量，实现金属微结构的高精度加工。 [0006] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下： [0007] 一种声表面波辅助掩膜电解的装置，包括防水盖1、软管2、入水泵3、出水泵4、电源线5、驱动线6、阴极7、阳极组件8、电解系统9、平开门10。电源线5的正极与阳极组件8中的阳极工件81相连，负极与阴极7相连。入水泵3通过软管2定量地将电解液11从电解系统9中的储液槽91输送至阳极组件8中的反应槽821，出水泵4通过软管2将反应后的电解液输送回储液槽91，水盖1遮挡住储液槽91。驱动线6接通阳极组件8中的压电陶瓷83。软管2、入水泵3、出水泵4、电源线5、驱动线6、阴极7、阳极组件8均置于电解系统9中，平开门10通过合页与电解系统9连接。 [0008] 所述的电解系统9通过板状结构分隔为四层结构(第一层充满电解液。第二层只有水管里有电解液。第三层只有反应槽821中有电解液。第四次是漏出去的少量电解液，并不是充满的)，从上至下依次为： [0009] 第一层为储液槽91，为顶端开口的半密封结构，用于储存电解液11；储液槽91的底面开有出水孔911和入水孔912，出水孔911通过软管2与入水泵3相连，入水孔912与出水泵4相连。储液槽91顶部放置水盖1。第二层为置物层92，用于放置入水泵3、出水泵4、阴极7：置物层92底面具有海绵921，用于放置入水泵3和出水泵4；置物层92底面的两个固定孔922用于固定软管2，入水泵3通过软管2将储液槽91中的电解液定量输送至反应层93，出水泵4通过软管2将反应层93中的电解液输送回储液槽91；置物层92底面的螺纹孔923与阴极7顶端的螺纹701相配合，阴极探入反应层93。第三层为反应层93(反应层93底部是开了三个孔的平板，开孔有两个目的：形成筋条来支撑阳极组件；电解液泄露时可以通过孔流入下一层)，是化学反应进行的位置：反应层93的底部是开了三个方形孔的板结构，相邻两个方形孔之间形成筋条931，阳极组件8置于反应层93的两条筋条931上；由置物层92固定的两根软管2探入反应层93后，软管2的末端水平并且和阳极组件8反应槽821的顶部平行，由于出水泵4的流量大于入水泵3，所以电解液恰好充满反应槽821且不溢出；由置物层92固定的阴极7的探入反应层93后，阴极7的末端和阳极组件8反应槽821的顶部平行，使得阴极7恰好接触电解液；如果由于突发情况导致电解液溢出反应槽821时，电解液通过反应层93底部的三个方形孔流入防漏层94。第四层为防漏层94，位于反应层93下方的半密封结构，防止反应过程中电解液11流出电解系统91。 [0010] 进一步的，所述的阳极组件8主要包括阳极工件81、基板82、压电陶瓷83。所述基板82开有方形通孔821，该通孔821即为电化学反应的反应槽821。所述的阳极工件81、压电陶瓷83粘贴在基板82上。所述阳极工件81与电源线5的正极相连，阳极工件81的待加工表面 811通过方形通孔821裸露于电解液11发生氧化反应，即进行电解刻蚀加工，非加工表面812具有绝缘层。所述压电陶瓷83与驱动线6相连，压电陶瓷83的频率在1MHz以上，即声表面波的频率在1MHz以上，高频声波的低空化效应可保证掩膜电解加工过程中声波对胶膜无损伤。 [0012] 进一步的，所述的阴极7一端具有螺纹701。 [0013] 一种声表面波辅助掩膜电解的方法，该方法中，在被刻蚀工件待加工表面811传播的声表面波辐射至电解液11，产生高频扰动以及声流喷射效应。声表面波的振动方向具有与固液交界面的平行分量和垂直分量。一方面，平行分量对电解液11产生切向应力，导致固液交界面处的电解液11形成微涡流，促进电解液11对待加工表面811的冲刷作用，将流体边界层减薄。另一方面，垂直分量对电解液11产生法向应力，将待加工表面811附近的电解液11喷射驱离，促进电解产物的及时排出以及新鲜电解液11的及时更新。这样，电解加工中刻蚀微结构内产生的刻蚀产物在声表面波声流作用下喷射而出，极大降低浓差极化，提高掩膜电解加工的表面质量，进而实现金属微结构的镜面加工。具体包括以下步骤： [0014] S1.在阳极工件81的待加工表面811上制作光刻胶掩膜图形813，通过匀胶，光刻胶曝光、显影等标准工艺，实现胶膜图形化，露出导电的待加工表面811。 [0015] S2.将图形化的阳极工件81和压电陶瓷83粘贴于基板82形成阳极组件8，选择合适的位置，将阳极组件8置于电解系统9反应层93的两条筋条931上。 [0016] S3.选择合适尺寸的阴极7，通过调节螺纹701与螺纹孔923的配合，调整合适的阴阳极距离。 [0018] S4.打开入水泵3和出水泵4，入水泵3为反应槽821通入电解液，出水泵4的流量大于入水泵3，防止电解液溢出反应槽821。 [0020] 进一步的，所述的压电陶瓷的频率在1MHz以上，即声表面波的频率在1MHz以上。1Mhz以上高频声波的低空化效应，可降低空化气泡对掩膜图形813的损伤，同时降低气泡对掩膜电解加工精度的影响。 [0021] S6.通过电源线5为阳极工件81和阴极7接入直流电，实现阳极工件81的电解加工。阳极工件81待加工表面811传播的声表面波辐射至反应槽821中的电解液，在待加工表面 811想接触的电解液中形成微涡流，微涡流将阳极表面的电解产物排出至反应槽821中，防止电解产物附着在工件表面影响加工质量。反应槽821中的电解产物被出水泵4带走，入水泵3及时供给新鲜电解液。 [0022] 本发明的有益效果是： [0023] (1)声表面波具有良好的传质效果，有助于提高加工精度。表面波传播时，待加工表面的振动具有与固液交界面平行分量和垂直分量。一方面，平行分量对电解液产生切向应力，导致固液交界面处的电解液形成微涡流，促进电解液对加工表面的冲刷作用，将流体边界层减薄。另一方面，垂直分量对电解液产生法向应力，将待加工表面附近的电解液喷射驱离，促进电解产物的及时排出以及新鲜电解液的及时更新。 [0024] (2)声表面波更容易集成，有利于节省装置空间。一片小的压电陶瓷可在于较大的工件表面形成声表面波，促进掩膜电解加工过程中的传质。 [0025] (3)声表面波的对胶膜和微结构无损伤。声源工作频率为1MHz以上，具有能量密度大，穿透能力强，空化作用小的特点，在产生高频扰动的同时对各类微结构及微器件无损伤。 [0026] (4)声表面波直接作用于工件，作用效果更强，有助于提高掩膜电解加工深度。声表面波由阳极工件向电解液中辐射，是一种从内而外的作用方式，作用效果更强，在深宽比较大的微结构中也能起到良好的传质效果。附图说明 [0027] 图1为本发明声表面波辅助掩膜电解装置总体视图； [0028] 图2为水盖1轴测图； [0029] 图3为阴极7轴测图； [0030] 图4为阳极组件8轴测图； [0031] 图5为阳极工件81轴测图； [0032] 图6为基板82轴测图； [0033] 图7(a)为电解系统9轴测图；图7(b)为图7(a)中A视图的局部放大图； [0034] 图8为声表面波辅助掩膜电解加工原理示意图； [0035] 图中：1防水盖、2软管、3入水泵、4出水泵、5电源线、6驱动线、7阴极、8阳极组件、9电解系统、10平开门、11电解液。 [0036] 81阳极工件、82基板、83压电陶瓷、91储液槽、92置物层、93反应层、94防漏层。 [0037] 101盖子边缘、701螺纹、811待加工表面、812非加工表面、813掩膜图形、821反应槽、911出水孔、912入水孔、921海绵、922固定孔、923螺纹孔、931筋条。 具体实施方式[0038] 本发明的核心思想在于提供一种声表面波辅助掩膜电解的装置与方法，将声表面波按照特定的方式引入掩膜电解过程中。通过声表面波在工件表面传播，促进电解液对加工表面的冲刷作用，提高掩膜电解加工的表面质量，提高金属微结构的加工精度。 [0039] 下面结合附图所示实施例，对本发明作进一步详述。显然，所描述的实例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。 [0040] 一种声表面波辅助掩膜电解的装置如图1所示。 [0041] 图1为本发明声表面波辅助掩膜电解装置总体视图，主要包括防水盖1、软管2、入水泵3、出水泵4、电源线5、驱动线6、阴极7、阳极组件8、电解系统9、平开门10。电源线5的正极与阳极组件8中的阳极工件81相连，负极与阴极7相连。入水泵3通过软管2定量地将电解液11从电解系统9中的储液槽91输送至阳极组件8中的反应槽821，出水泵4通过软管2将反应后的电解液输送回储液槽91，水盖1遮挡住储液槽91。驱动线6接通阳极组件8中的压电陶瓷83。软管2、入水泵3、出水泵4、电源线5、驱动线6、阴极7、阳极组件8均置于电解系统9中，平开门10通过合页与电解系统9连接。 [0042] 图2为水盖1轴测图，水盖1的盖子边缘101为橡胶材料。 [0043] 图3为阴极7轴测图，阴极7一端具有螺纹701。 [0044] 图4为阳极组件8轴测图，主要包括阳极工件81、基板82、压电陶瓷83。阳极工件81、压电陶瓷83粘贴在基板82上。阳极工件81与电源线5的正极相连。压电陶瓷83与驱动线6相连。压电陶瓷83的频率在1MHz以上。 [0045] 图5为阳极工件81轴测图，阳极工件81的待加工表面811裸露于电解液发生氧化反应，非加工表面812具有绝缘层。 [0046] 图6为基板82轴测图，基板82开有方形通孔821，该通孔即为电化学反应的反应槽821。 [0047] 图7为电解系统9轴测图。电解系统9可分为四层。第一层为储液槽91，为顶端开口的半密封结构，用于储存电解液；储液槽91的底面开有出水孔911和入水孔912，出水孔911通过软管2与入水泵3相连，入水孔912与出水泵4相连。第二层为置物层92，用于放置入水泵3、出水泵4、阴极7：置物层92底面具有海绵921，用于放置入水泵3和出水泵4；置物层92底面的两个固定孔922用于固定软管，防止软管的摆动，螺纹孔923与阴极7的螺纹701相配合。第三层为反应层93，阳极组件8置于反应层93的两条筋条931上。第四层为防漏层94，为顶端开口的半密封结构，防止反应过程中电解液流出。 [0048] 一种声表面波辅助掩膜电解的方法，以下步骤实现： [0049] S1.在阳极工件81的待加工表面811上制作光刻胶掩膜图形813，通过匀胶，光刻胶曝光、显影等标准工艺，实现胶膜图形化，露出导电的待加工表面811。 [0050] S2.将图形化的阳极工件81和压电陶瓷83粘贴于基板82形成阳极组件8，选择合适的位置，将阳极组件8置于电解系统9反应层93的两条筋条931上。 [0051] S3.选择合适尺寸的阴极7，通过调节螺纹701与螺纹孔923的配合，调整合适的阴阳极距离。 [0052] 特别地，阴极的尺寸和形状可以根据光刻胶掩膜图形813的大小进行设计，以降低电场边缘效应对电解加工精度的不利影响。 [0053] S4.打开入水泵3和出水泵4，入水泵3为反应槽821通入电解液，出水泵4的流量大于入水泵3，防止电解液溢出反应槽821。 [0054] S5.通过驱动线6为压电陶瓷83通入兆声波信号，压电陶瓷83的所产生的兆声振动以声表面波的形式在基板82和阳极工件81表面传播，并从阳极工件81的待加工表面811辐射至电解液11。所述的压电陶瓷的频率在1MHz以上，即声表面波的频率在1MHz以上。1Mhz以上高频声波的低空化效应，可降低空化气泡对掩膜图形813的损伤，同时降低气泡对掩膜电解加工精度的影响。 [0055] S6.通过电源线5为阳极工件81和阴极7接入直流电，实现阳极工件81的电解加工。阳极工件81待加工表面811传播的声表面波辐射至反应槽821中的电解液，在待加工表面 811想接触的电解液中形成微涡流，微涡流将阳极表面的电解产物排出至反应槽821中，防止电解产物附着在工件表面影响加工质量。反应槽821中的电解产物被出水泵4带走，入水泵3及时供给新鲜电解液。 [0056] 需要说明的是： [0057] (1)本发明提供的一种声表面波辅助掩膜电解的装置，并提出了金属微结构的声表面波辅助掩膜电解的镜面加工方法。压电陶瓷激发的振动以声表面波的形式在基板和阳极工件的表面传播。基板和阳极工件传播的声表面波辐射入电解液，形成电解液的微涡流和宏观流动，促进电解液对加工表面的冲刷作用，有利于电解产物的及时排出以及新鲜电解液的及时更新，进而提高金属微结构的加工精度。 [0058] (2)本发明中的声表面波作用：待加工表面的振动具有与固液交界面平行分量和垂直分量。一方面，平行分量对电解液产生切向应力，导致固液交界面处的电解液形成微涡流，促进电解液对加工表面的冲刷作用，将流体边界层减薄。另一方面，垂直分量对电解液产生法向应力，将待加工表面附近的电解液喷射驱离，促进电解产物的及时排出以及新鲜电解液的及时更新。 [0059] 采用此方法能够显著提高掩膜电解加工微结构的深度刻蚀能力及均匀性，保证微2 结构器件的使用性能。在电流密度4A/cm，电解时间60s，15％氯化钠电解液的加工条件下，对微流控芯片模具进行加工，采用声表面波辅助掩膜电解的装置与方法克服了掩膜电解加工工艺一直存在的加工深度不足和均匀性差的问题，微流控芯片模具加工平均深度60μm，深度不均匀度为33％。相比于无表面波作用的常规掩膜电解过程(平均加工深度30μm，深度不均匀度为85％)，刻蚀深度提高了100％，不均匀度下降了61％(不均匀度越低，加工精度越高)。可见，采用本发明方法能够有效提高加工精度。 [0061] 以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。 |
||||||
