CN106077852A - 一种电化学加工系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电化学加工系统，包括底座、电解槽以及朝向电解槽的加工电极；所述底座上设有驱动所述电解槽X向运动的X向运动平台和Y向运动的Y向运动平台，以及驱动所述加工电极Z向运动的Z向运动平台，所述Z向运动平台上连接有驱动所述加工电极三自由度微动的微动平台，所述微动平台包括与所述Z向运动平台连接的X向微动平台、与所述X向微动平台连接的Y向微动平台，以及与所述Y向微动平台连接的Z向微动平台；所述电解槽上还连接有检测所述加工电极对所述电解槽施加压力的力传感器；所述加工电极上还连接有检测其对工件加工深度的位移传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米加工装置，尤其涉及一种电化学加工系统。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，微型化是军事及民用研究领域总的发展趋势。如大规模集成电路(ULSI)、微纳机电系统(MEMS&NEMS)、微全分析系统(μ-TAS)以及精密光学器件的发展，要求每个功能器件的尺寸达到微纳米量级。现代化的高技术战争要求武器小型化，如微型潜艇、微型飞机、微型导弹等，这些新型武器的组成零件要求其结构尺寸达到微米乃至纳米量级，加工精度达到纳米量级。在民用领域，以计算机CPU芯片为例，商业化的超大集成电路的特征线宽已经达到32nm以下。这些零件或者元件的制造需要各种微纳加工技术，因此，发展微纳加工技术已成为全世界精密制造领域最前沿的热门课题，并且在此基础上逐步形成了一个新兴产业——微纳制造。一般地，微纳加工技术的产业需求具体体现在以下三个方面：(1)纳米精度的超光滑表面；(2)微纳尺度的三维复杂结构；(3)微纳米器件的装配。
电化学微纳加工技术作为微纳加工方法之一，具有无热效应、无残余应力，精度可控、去除率高、加工效率高、环境友好等优点。因此，在微纳加工领域也占有及其重要的地位。实现电化学微纳加工的方法有：阴极电沉积(电镀或电铸)、阳极溶解、电化学诱导化学刻蚀技术。电化学反应发生在电极/溶液界面，由于参与反应的物质的液相传质过程，在界面溶液一侧形成扩散层。因此，控制电化学微/纳米加工精度的关键就在于控制扩散层的厚度。常用的电化学微纳加工方法有：
(1)扫描探针电化学微纳加工技术
电化学扫描隧道显微镜(EC-STM)微纳加工方法于1997年由Kolb课题组提出：首先在STM探针上沾上带有Cu2+的溶液，再移到金基片上通过电沉积形成铜纳米团簇。厦门大学毛秉伟教授课题组在室温离子液体环境中电沉积得到了活泼金属锌和铁的纳米团簇图案。此方法的加工精度非常高，团簇的直径一般在亚纳米级别，高度可以控制在几个纳米。但其最大的不足在于扫描行程非常有限，因此加工尺度范围很小。Schuster提出了超短电压脉冲技术，该技术是将微/纳米电极、电极阵列或者带有三维微结构的模板逼近待加工的导电基底，在针尖与基底之间施以纳秒级电压脉冲，只有距离工具最近的工件部位发生阳极溶解，从而得到尺度可控的微型结构。这种技术具有距离敏感性，加工精度较高，但逐点作业效率低。
扫描电化学显微镜(SECM)是一种以超微电极或纳米电极为探针的扫描探针技术，由一个三维精密定位系统来控制探针电极与被加工基底之间的距离，通过在针尖与基底之间局部区域激发电化学反应，可以获得各种微结构图案。该技术空间分辨率有所降低，但化学反应性能得到增强，大大拓展了微/纳米加工的对象，成为一种重要的微纳加工技术。扫描微电解池显微镜(SECCM)是利用毛细管尖端的微液滴与导电工件形成接触，参比CN104098066B说明书42/5页5电极、对电极插入到毛细管中与导电的加工基底构成微电解池，并以该微电解池作为扫描探针。由于电化学反应被限制在微液滴中，因此微液滴的尺寸决定了加工的精度。
(2)掩模电化学微纳加工技术
LIGA是一种加工高深宽比微/纳米结构的方法。该方法先在导电基底上涂覆一层光刻胶，通过光刻曝光后形成高深宽比的微/纳米结构，然后在含有微/纳米结构的光刻胶模板上电沉积金属，去除光刻胶后得到金属微/纳米结构。获得的金属微/纳米结构，还可以进一步作为加工塑料和陶瓷材料工件的模板。LIGA加工的深宽比可以达到10～50，粗糙度小于50nm。但该技术使用的X射线曝光光源价格昂贵，而紫外曝光工艺得到的深宽比又较低。另外，如何在有较高深宽比的光刻胶微/纳米结构中实现高质量的电铸也是需要解决的问题。
EFAB是由美国南加州大学Adam Cohan教授提出的一种微/纳米加工方法。EFAB技术首先利用CAD将目标三维微/纳米结构分解成容易通过光刻加工的多层二维微/纳米结构，然后将设计好的微/纳米结构层和牺牲层一层一层地沉积于二维光刻胶模板中，去掉光刻胶模板和牺牲层金属就可以得到所需的微/纳米结构。但每一个电铸层都要求高度平坦化，而化学机械抛光(CMP)成本高，而且任何两层之间的对准错误都将会导致整个微/纳米加工流程失败。
电化学纳米压印技术：AgS 2是一种具有银离子传输能力的固态超离子导体电解质，当银工件表面接触到超离子导体模板时，通过在工件上施加一定的电压，银工件表面与模板的连接处将会发生银的阳极溶解，银离子在AgS2电解质中迁移，沉积到AgS 2模板另一侧的对电极上，从而形成纳米结构。但是，可用于模板制作的固体电解质材料有限，机械强度差，固相传质速率慢，加工效率低。
(3)微纳精度的电化学平坦化技术
电化学抛光(ECP)技术是利用电化学阳极溶解的原理实现材料的去除，可在非接触无应力的条件下实现高效平坦化，还可避免产生介质层裂纹、分层等加工缺陷。但是如果加工间隙过小则易导致正负极短路，影响工艺的稳定性，在目前的技术条件下很难实现亚微米级面型精度表面的平坦化加工。
电化学机械抛光(ECMP)技术是Applied Materials公司于2004年推出的平坦化技术。一方面，通过电化学作用在加工表面生成软质钝化膜，同时在低抛光压力下以机械作用快速去除该钝化膜；另一方面，利用电化学作用形成的钝化膜对加工表面低凹部位的保护作用及多孔抛光垫和磨粒对加工表面凸出部位的高选择性去除作用，可实现高精度的平坦化。然而，在技术上还无法实现高精度平坦化加工。
目前，与光刻技术联用的电化学微纳加工技术，比如超大集成电路的双大马士革工艺、微纳机电系统的LIGA和EFAB工艺，其加工设备主要是是价格昂贵的光刻工艺设备和化学机械抛光设备，其电化学工艺设备实际上只是传统的电铸和电镀设备。电化学机械抛光是在化学机械抛光设备的基础上引入阳极氧化的工艺。实际上在这类技术中，电化学只是作为一道工艺，严格上并不是直接通过电化学方法生成3D微纳结构或超光滑表面。
现有的电化学微纳加工设备的研制相对比较滞后，调节精度的结构比较简易，而且精度低，不能达到精度较高的加工要求。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的电化学加工系统，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可以从宏观上进行精度粗调、从微观上进行微调以精确调整电极加工精度的电化学加工系统。
本发明的电化学加工系统，包括
-底座、电解槽以及朝向电解槽的加工电极；
-所述底座上设有驱动所述电解槽X向运动的X向运动平台和Y向运动的Y向运动平台，以及驱动所述加工电极Z向运动的Z向运动平台；
-所述Z向运动平台上连接有驱动所述加工电极三自由度微动的微动平台，所述微动平台包括与所述Z向运动平台连接的X向微动平台、与所述X向微动平台连接的Y向微动平台，以及与所述Y向微动平台连接的Z向微动平台；
-所述电解槽上还连接有检测所述加工电极对所述电解槽施加压力的力传感器；
-所述加工电极上还连接有检测其对工件加工深度的位移传感器。
进一步的，所述力传感器上连接有水平的连接板，所述连接板上设有底板，所述底板通过橡胶垫连接有与其平行的支撑板，所述电解槽设置在所述支撑板上，所述电解槽的侧壁上连接有两弹簧压片，所述弹簧压片与所述连接板之间连接有第一弹簧，以及调整所述第一弹簧形变量的调整螺钉。
进一步的，所述底座上还连接有调整所述X向运动平台和Y向运动平台水平高度的活动底盘，所述活动底盘与所述底座之间连接有第二弹簧，所述活动底盘上连接有将其固定在所述底座上、并调整所述第二弹簧形变量的调整旋钮。
进一步的，所述X向微动平台、Y向微动平台与Z向微动平台均包括台体和设置在台体内的动台体，所述动台体的各外侧壁与所述台体的各内侧壁之间均连接有柔性铰链，所述台体上连接有驱动所述动台体直线微动的压电陶瓷。
进一步的，所述Z向微动平台的动台体连接有悬挂板，所述悬挂板上悬挂有连接所述加工电极的接筒，所述接筒上连接有连接盘，所述连接盘上沿其圆周方向均匀连接有三个所述位移传感器。
进一步的，所述X向运动平台与Y向运动平台均包括支座、沿支座水平移动的滑块以及设置在支座上驱动滑块水平移动的第一电机，所述X向运动平台的支座设置在所述活动底盘上，所述Y向运动平台的支座设置在所述X向运动平台的滑块上，所述Y向运动平台的滑块上连接有台面，所述力传感器设置在所述台面上。
进一步的，所述Z向运动平台包括与所述底座垂直连接的立板、沿所述立板纵向移动的滑板，以及驱动所述滑板纵向移动的第二电机与丝杆。
进一步的，所述X向微动平台通过支架连接在所述滑板上，所述底座上设有两朝向所述支架、限制所述支架随所述滑板纵向移动幅度的限位柱。
进一步的，所述底座的两端还设有把手。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、通过设置力传感器，可以检测到在微动平台调整加工电极的位置时加工电极对电解槽施加压力，从而控制微动平台调整加工电极三维微动的幅度，一方面可以避免加工电极与待加工工件过接触，导致工件损坏，另一方面可以防止加工电极与待加工工件接触不到位，达不到加工效果，确保加工的精度；
2、通过设置位移传感器，可以检测到加工电极对工件加工的深度，从而能够更精确地控制微动平台对加工电极微调的精度；
3、通过第一弹簧与调整螺钉，及底板与支撑板的软性连接，可以对电解槽的水平位置进行微调，以确保在加工之前，电解槽准确地处于设定的位置，从而进一步确保加工的精度；
4、本发明的粗调结构可以达到微米分辨率，微调结构可以达到纳米分辨率，将粗调结构(即X、Y、Z向运动平台)与微调结构(即三自由度微动的微动平台)组合，大大提高了调节精度，能达到高精度的加工要求。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中微动平台的结构示意图；
图3是微动平台中X或Y或Z向微动平台的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1和图2，本发明一较佳实施例所述的一种电化学加工系统，包括底座10、电解槽20以及朝向电解槽20的加工电极30，加工电极30用于对电解槽20内的工件进行加工。电化学加工主要是通过阳极溶解或阴极沉积，使工件在电解液中被溶解或沉积所需材料，达到加工目的。本发明的电化学加工系统用来进行对工件的精密加工，为达到精密精度，本发明具有宏观调节机构与微观调节机构。宏观调节结构用来进行粗调，粗调精度在微米级，其具体结构包括设置在底座10上驱动电解槽20X向运动的X向运动平台41和Y向运动的Y向运动平台42，以及驱动加工电极30Z向运动的Z向运动平台43。
为达到微米级的粗调精度，本发明中X向运动平台41与Y向运动平台42均包括支座44、沿支座44水平移动的滑块45以及设置在支座44上驱动滑块45水平移动的第一电机46，第一电机46通过丝杆传动，使滑块45水平滑动。X向运动平台41与Y向运动平台42用于调节电解槽20的位置，在调节过程中，还需同时调节电解槽20的水平度，因此，本发明在底座10上还连接有调整X向运动平台41和Y向运动平台42水平高度的活动底盘80，活动底盘80与底座10之间连接有第二弹簧81，在活动底盘80上连接有将其固定在底座10上、并调整第二弹簧81形变量的调整旋钮82。将活动底盘80通过第二弹簧81及调整旋钮82连接在底座10上，使得活动底盘82呈浮动状态，在确定好电解槽20的水平位置及水平高度后，控制第二弹簧81的伸长量使电解槽20在所需高度，然后旋转调整旋钮82，使活动底盘80呈水平状态。具体连接时，将X向运动平台41的支座44设置在活动底盘80上，Y向运动平台42的支座44设置在X向运动平台41的滑块45上。如此，即可通过调整X向运动平台41与Y向运动平台42的水平高度，从而对电解槽20进行间接调整。为达到间接调整的目的，本发明在Y向运动平台42的滑块45上连接有台面47，在台面47上设置一力传感器60，力传感器60用于检测加工电极30对所电解槽20施加压力，一方面可以避免加工电极30与待加工工件过接触，导致工件损坏，另一方面可以防止加工电极30与待加工工件接触不到位，达不到加工效果，确保加工的精度。具体的，力传感器60上连接有水平的连接板61，连接板61上设有底板62，底板62通过橡胶垫63连接有与其平行的支撑板64，电解槽20设置在支撑板64上，在电解槽20的侧壁上连接有两弹簧压片65，弹簧压片65与连接板61之间连接有第一弹簧66，以及调整第一弹簧66形变量的调整螺钉67。通过橡胶垫63与第一弹簧66，可以对电解槽20的水平高度及水平度进行进一步的微调，使电解槽20的平面度在0.1mm以下，更进一步提高加工精度。
通过X向运动平台41与Y向运动平台42对电解槽20进行水平方向的粗调，而加工电极30的粗调整通过Z向运动平台43调整竖直方向的高度。具体的，Z向运动平台43包括与底座10垂直连接的立板48、沿立板48纵向移动的滑板49，以及驱动滑板49纵向移动的第二电机50与丝杆。
通过对电解槽20与加工电极30的粗调，实现对电解槽20与加工电极30的初步定位。为达到精密加工目的，还需通过微观调节机构进行纳米级的调节。具体的，本发明中的微观调节机构为与Z向运动平台43连接的、用于驱动加工电极30三自由度微动的微动平台，如2和图3所示，微动平台包括与Z向运动平台43连接的X向微动平台51、与X向微动平台51连接的Y向微动平台52，以及与Y向微动平台52连接的Z向微动平台53，X向微动平台51通过支架90连接在Z向运动平台43的滑板49上。如此，即可由Z向运动平台43带动整个微动平台纵向上移动，由微动平台带动加工电极30进行三自由度的微动。具体的，X向微动平台51、Y向微动平台52与Z向微动平台53均包括台体54和设置在台体54内的动台体55，动台体55的各外侧壁与台体54的各内侧壁之间均连接有柔性铰链56，在台体54上连接有驱使动台体55直线微动的压电陶瓷57。即X向微动平台51的动台体可以沿X方向微动，Y向微动平台52的动台体可以沿Y方向微动，Z向微动平台53可以沿Z方向微动，将加工电极30与微动平台连接，即可对加工电极30进行微观上的调节，以实现精密加工。具体的，在Z向微动平台53的动台体55上连接一悬挂板71，在悬挂板71上悬挂一与加工电极30连接的接筒72。接筒72与悬挂板71随微动平台微动，从而带动加工电极30微动调整。
本发明在加工电极30上还连接有检测其对工件加工深度的位移传感器70，通过检测加工电极30对工件加工的深度，从而更精确地控制微动平台对加工电极30微调的精度。具体的，可在接筒72上连接一连接盘73，在连接盘73上沿其圆周方向均匀连接有三个位移传感器70。利用三个位移传感器70检测三个点，利用三个点构成一个平面，从而确保在加工过程中，不会产生偏差，大大确保的了加工效果。
为了限制微动平台随Z向运动平台43下滑的最大幅度，本发明在底座10上设有两朝向支架90、限制支架90随滑板49纵向移动幅度的限位柱91。利用限位柱91对支架90进行抵挡，使第二电机50停止工作，阻止支架90继续下降，从而阻止加工电极30下降，避免加工电极30碰撞电解槽20，从而避免加工电极30与电解槽20被损坏。
作为本发明的优选实施方式，为方便搬运本发明的电化学加工系统，本发明在底座10的两端还设有把手11。
本发明的工作原理如下：
加工过程采用粗调、微调相结合的方式使加工电极30与待加工工件接触，并配合力传感器时时检测接触信号，以及位移传感器检测加工深度。初始阶段，首先通过活动底盘80调整X向运动平台41的水平度，并利用X向运动平台41与Y向运动平台42调整电解槽20的初始位置，再进一步微调整电解槽20的水平度，随后利用Z向运动平台43调整加工电极30与待加工工件之间的距离，使加工电极30与工件接触，并由力传感器60检测加工电极30是否与工件接触；最后利用微动平台对加工电极30进行三自由度的微调，并在加工过程中实时通过位移传感器70检测加工深度，达到合适位置完成电化学的精密加工。
本发明的结构简单，运动精度高，其中X向运动平台与Y向运动平台的运动范围为25mm，重复精度为±5μm，分辨率为1μm，Z向运动平台的运动范围为70mm，重复精度为±10μm，分辨率为3μm；电解槽20的平面度在0.1mm以下；X向微动平台、Y向微动平台及Z向微动平台的运动范围均为50μm，重复精度均为±50nm，分辨率均为20nm；力分辨率为1克，操控方便，控制简单，达到高精密加工要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种电化学加工系统，包括
-底座、电解槽以及朝向电解槽的加工电极；
-所述底座上设有驱动所述电解槽X向运动的X向运动平台和Y向运动的Y向运动平台，以及驱动所述加工电极Z向运动的Z向运动平台，其特征在于：
-所述Z向运动平台上连接有驱动所述加工电极三自由度微动的微动平台，所述微动平台包括与所述Z向运动平台连接的X向微动平台、与所述X向微动平台连接的Y向微动平台，以及与所述Y向微动平台连接的Z向微动平台；
-所述电解槽上还连接有检测所述加工电极对所述电解槽施加压力的力传感器；
-所述加工电极上还连接有检测其对工件加工深度的位移传感器。
2.根据权利要求1所述的电化学加工系统，其特征在于：所述力传感器上连接有水平的连接板，所述连接板上设有底板，所述底板通过橡胶垫连接有与其平行的支撑板，所述电解槽设置在所述支撑板上，所述电解槽的侧壁上连接有两弹簧压片，所述弹簧压片与所述连接板之间连接有第一弹簧，以及调整所述第一弹簧形变量的调整螺钉。
3.根据权利要求1所述的电化学加工系统，其特征在于：所述底座上还连接有调整所述X向运动平台和Y向运动平台水平高度的活动底盘，所述活动底盘与所述底座之间连接有第二弹簧，所述活动底盘上连接有将其固定在所述底座上、并调整所述第二弹簧形变量的调整旋钮。
4.根据权利要求1所述的电化学加工系统，其特征在于：所述X向微动平台、Y向微动平台与Z向微动平台均包括台体和设置在台体内的动台体，所述动台体的各外侧壁与所述台体的各内侧壁之间均连接有柔性铰链，所述台体上连接有驱动所述动台体直线微动的压电陶瓷。
5.根据权利要求4所述的电化学加工系统，其特征在于：所述Z向微动平台的动台体连接有悬挂板，所述悬挂板上悬挂有连接所述加工电极的接筒，所述接筒上连接有连接盘，所述连接盘上沿其圆周方向均匀连接有三个所述位移传感器。
6.根据权利要求3所述的电化学加工系统，其特征在于：所述X向运动平台与Y向运动平台均包括支座、沿支座水平移动的滑块以及设置在支座上驱动滑块水平移动的第一电机，所述X向运动平台的支座设置在所述活动底盘上，所述Y向运动平台的支座设置在所述X向运动平台的滑块上，所述Y向运动平台的滑块上连接有台面，所述力传感器设置在所述台面上。
7.根据权利要求1所述的电化学加工系统，其特征在于：所述Z向运动平台包括与所述底座垂直连接的立板、沿所述立板纵向移动的滑板，以及驱动所述滑板纵向移动的第二电机与丝杆。
8.根据权利要求7所述的电化学加工系统，其特征在于：所述X向微动平台通过支架连接在所述滑板上，所述底座上设有两朝向所述支架、限制所述支架随所述滑板纵向移动幅度的限位柱。
9.根据权利要求1-8任一项所述的电化学加工系统，其特征在于：所述底座的两端还设有把手。
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