CN101327537A

CN101327537A - 高深宽比微细金属群柱结构的电化学加工方法及专用工具

Info

Publication number: CN101327537A
Application number: CNA2008100223305A
Authority: CN
Inventors: 胡洋洋; 朱荻; 曲宁松
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2008-12-24

Abstract

一种高深宽比微细金属群柱结构的电化学加工方法及专用工具，属高深宽比金属微结构制造工艺方法及装置技术领域。该方法是利用金属网板作为专用工具，在工控机的控制下，使专用工具和工件阳极做相向运动进行电解加工，其特征在于：所述的作为专用工具的金属网板，其群孔的侧壁和网板背面均沉积有绝缘层，以屏蔽金属网板的群孔侧壁、背面与新生成群柱表面的电场，保护新生成的群柱结构不被蚀除。利用本发明，可以高效、低成本的制造出深宽比不受限制(理论上)的微细金属群柱结构。

Description

高深宽比微细金属群柱结构的电化学加工方法及专用工具

技术领域

本发明的高深宽比微细金属群柱结构的电化学加工方法及专用工具，属高深宽比金属微结构制造工艺方法及装置技术领域。

背景技术

微细阵列群孔作为一种典型的微细结构，在航空航天、精密仪器、化纤等领域有着广泛的应用，如高速打印机喷嘴板、光纤连接器、化纤喷丝板、微过滤网以及电子显微镜光栅等。微细电加工相对于常规钻削加工具有无机械切削力作用，加工精度和加工效率高等优点，因此其在微细群孔结构的加工方面具有广泛的应用前景。其中，工具电极的制作是微细电加工中一个重要的环节。目前，微细电极的制作方法主要有：电化学腐蚀法、线电极电火花磨削(WEDG)等，但上述方法往往只能获得单个或数个微细电极，致使微细电加工的加工效率不高。目前，国内外已开始研究使用阵列微细柱状电极来进行微细电加工，以显著提高加工效率。制作微细金属群柱结构的方法主要有：

①LIGA(lithographie，galvanoformung und abformung)技术，虽然采用LIGA技术可以获得厚度达1～2mm、深宽比高达100以上且侧壁陡直的微结构，但是由于LIGA技术需要昂贵的同步辐射光源，成本高、周期长，从而限制了它的应用范围。

②微细电火花反拷(REDM)技术，该技术先通过电火花加工制作阵列金属网板，然后以此网板为工具电极进行微细电火化加工从而得到微细结构阵列。但此方法的工具电极存在损耗，费用高。

因此，有必要研究出新的加工效率高、成本低廉的微细群柱结构加工方法。有人尝试过像微细电解反拷套料技术那样用金属网板作为工具进行微细电解反拷套料(RECM)加工，但是只得到了微凸台结构。这是由于新加工出的群柱表面存在很强的电场分布，见图2，产生杂散腐蚀，从而导致群柱不断被蚀除造成的，见图1。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高深宽比微细金属群柱结构的电化学加工方法及专用工具，利用该方法及专用工具电极能够高效、低成本的制作高深宽比微细金属群柱结构。

一种高深宽比微细金属群柱结构的电化学加工方法，利用金属网板作为专用工具。通过工控机的控制，使专用工具和工件阳极做相向运动进行电解加工，其特征在于：所述的作为专用工具的金属网板，其群孔侧壁和网板背面均沉积有绝缘层；利用该绝缘层屏蔽金属网板的群孔侧壁、背面与新生成群柱表面的电场，保护新生成的群柱结构不被蚀除。

上述的高深宽比微细金属群柱结构的电化学加工方法的专用工具，其特征为：专用工具为群孔侧壁和背面均沉积有绝缘层的金属网板。

可见，本发明的特点是：

1、将绝缘层沉积在金属网板的微细群孔侧壁和背面后，绝缘层将屏蔽金属网板的微细群孔侧壁、背面与新生成群柱表面之间的电场(图6)，从而保护新产生的群柱结构不被蚀除。图6中，曲线23表示直接采用金属网板作为工具电极时群柱表面22的电场分布，曲线24表示使用专用工具后群柱表面22的电场分布，由图6可知，阵列金属网板侧壁和背面沉积绝缘层后，可有效减弱群柱表面的电场强度，使新生成的群柱表面的电场强度降低到接近零的程度，这样就可以有效保护新产生的群柱结构不被蚀除，从而得到高深宽比微细群柱结构。

2、工件阳极相对于专用工具做相对运动，从而加工出微细金属群柱结构。装置不仅解决了电解反拷技术只能得到微凸台的问题，而且制作的专用工具可以重复使用，大大降低了成本。

因此，采用上述电解加工工艺及其装置，能制造出侧壁陡直、任意深宽比且成本低廉的微细金属群柱结构。

附图说明

图1是直接采用金属网板作为工具阴极时电解拷加工过程示意图。

图2是直接采用金属网板作为工具阴极时阴阳极间的电场分布示意图。

图3是本发明给出的专用工具电解反拷加工工艺装置整体结构示意图。

图4是本发明给出的采用侧壁和背面绝缘方式制作的专用工具结构示意图。

图5是采用专用工具进行电解反拷加工的过程示意图。

图6是采用专用工具与直接采用金属网板作为工具阴极时群柱表面的电场强度对比曲线。

图中标号名称：1、步进电机，2、Z轴，3、工控机，4、电源，5、压力表，6、流量计，7调节阀，8、过滤网，9、泵，10、储液槽，11、机床本体，12、电解液槽，13、喷头，14、专用工具，15、阴极夹具，16、工件阳极，17、阳极夹具。18、绝缘层，19、金属网板，20、微细群柱结构，21、群凸台结构，22、新生成的群柱表面，23、直接采用金属网板作为工具阴极电解加工时群柱表面的电场分布曲线，24、采用专用工具电解加工时群柱表面的电场分布曲线。

具体实施方式

实施本发明的装置，如图3所示，其装置包括步进电机1、电源4、压力表5、流量计6、调解阀7、过滤网8、泵9、储液槽10、机床本体11、电解液槽12。其特点是工件阳极16通过阳极夹具17与Z轴2相连，带有微细群孔结构的专用工具14通过阴极夹具安装在电解液槽中，工控机3控制Z轴2做竖直向下的运动，以此带动工件阳极16和专用工具14做相对运动同时伴以电化学蚀除过程，从而得到高深宽比微细金属群柱结构。

本发明专利原理：当直接采用金属网板作为工具阴极进行微细电解反拷(RECM)加工时，只能得到微凸台结构。这是由于新生成的群柱表面分布的电场强度很大，见图2，在群柱表面产生杂散腐蚀，从而导致群柱不断被蚀除造成的，见图1。将绝缘层沉积在金属阵列微细群孔侧壁和背面后，绝缘层将削弱新产生群柱表面分布的电场强度，从而保护新产生的群柱不被蚀除(图6)。图6中，曲线23表示直接采用金属网板作为工具阴极时群柱表面22的电场分布，曲线24表示使用专用工具后群柱表面22的电场分布，由图可知，金属网板侧壁和背面沉积绝缘层后，可有效减弱金属网板与新生成群柱表面之间的电场，使新生成的群柱表面的电场强度降低到接近零的程度，这样就可以有效保护新产生的群柱结构不被蚀除，从而得到高深宽比微细金属群柱结构。

本发明专利过程：首先制作阵列微细群孔结构作为专用工具，然后采用微细电解反拷(RECM)的方法——即工件阳极与专用工具做相对运动，制作阵列微细群柱结构。其中，专用工具是通过将金属阵列微细群孔网板的侧壁和背面进行绝缘处理而获得的，如图5。

该方法的具体步骤如下：

(1)直接在薄金属板上加工出要求的阵列微细群孔结构，如圆形、四边形等。

(2)采用薄膜工艺对群孔结构的侧壁和背面进行绝缘层18。

(3)接通电源，喷射电解液，工件阳极16在Z轴2的带动下相对于专用工具做向下的相对运动，得到阵列微细群柱结构20。

Claims

1、一种高深宽比微细金属群柱结构的电化学加工方法，利用金属网板作为专用工具，通过工控机的控制，使专用工具和工件阳极做相向运动进行电解加工，其特征在于：所述的作为专用工具的金属网板，其群孔侧壁和网板背面均沉积有绝缘层；利用该绝缘层屏蔽金属网板的群孔侧壁、背面与新生成群柱之间的电场，保护新生成群柱结构不被蚀除。

2、根据权利要求1所述的高深宽比微细金属群柱结构的电化学加工方法的专用工具，其特征为：专用工具为群孔侧壁和背面均沉积有绝缘层的金属网板。