CN107424720B - 用于磁流变平面抛光的电控永磁式磁场发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于磁流变平面抛光的电控永磁式磁场发生装置。主要包括：互相连接的电路控制部分和磁回路结构部分，磁回路结构部分包括：电磁线圈、内磁极、底部磁轭、上部磁轭、隔磁板或隔磁条和外磁极，电路控制部分的输出电流流入电磁线圈，电路控制部分控制输出电流的方向和大小。本发明的脉宽调制磁场电路通过微控制器、固态继电器、电容器、分压调节电阻、电源、二极管等能有效的调节脉宽调制磁场发生器的脉宽调制磁场的频率、脉宽和强度，进而使磁流变液形成硬度和剪切屈服应力可变，并能自行更新磁性颗粒和磨粒的“柔性研磨头”，这使得该脉宽调制磁场发生器在磁流变抛光设备中能针对不同材料的工件实现更为高效和高质量的抛光。

Description

用于磁流变平面抛光的电控永磁式磁场发生装置

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，尤其涉及一种用于磁流变平面抛光的电控永磁式脉动磁场发生装置。

背景技术

半导体事业的快速发展使得晶片的生产过程要求越来越高，仅对于抛光过程来说，传统平面抛光的工艺越来越难以满足生产的需求。磁流变平面抛光作为一种新型超光滑平面抛光方法，开始在硬脆材料的抛光生产中发挥优势。

磁流变抛光是利用磁流变抛光液在磁场作用下的流变特性，对与之接触且有相对运动的工件实现微量去除的超光滑抛光方式。在磁流变抛光过程中，快速变化的分布式梯度磁场不仅能够使得抛光磨粒不断更新自砺，从而取得更高的效率，还能够有效保障晶片表面质量。磁场发生器作为磁流变抛光设备的核心部件，需要形成可变梯度磁场。

在磁流变抛光技术领域现有的磁场发生器以磁体类型来看分为电磁式和永磁式，其中大多数都属于永磁式磁场发生器，而以磁场发生装置的磁极盘上方磁流变液所能形成的“柔性研磨头”数量来分，可分为单缎带磁场发生装置和多缎带磁场发生装置，目前，主流的磁场发生装置都以单缎带磁场发生装置为主。

电磁式磁场发生装置的磁场形式包括静态磁场和动态磁场，而动态磁场又分为机械旋转式动态磁场、交变式动态磁场以及脉冲式动态磁场,针对不同的应用领域其所用的电磁式磁场发生装置也就不同，在磁流变抛光领域大多数所用的磁场发生装置产生的都是静态磁场。

对于电磁式磁场发生装置，虽然能更好地对抛光区磁场强度和磁场分布进行控制，但电磁式磁场发生装置的磁回路结构设计和优化相对复杂，过长的磁路容易造成抛光区磁场强度和磁场分布形式无法满足抛光要求。

发明内容

本发明的实施例提供了一种用于磁流变平面抛光的电控永磁式磁场发生装置，以实现有效地对工件表面进行磁流变平面抛光处理。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种用于磁流变平面抛光的电控永磁式磁场发生装置，包括：

互相连接的电路控制部分和磁回路结构部分，所述磁回路结构部分包括：电磁线圈、铁芯、内磁极、底部磁轭、上部磁轭、隔磁板或隔磁条和外磁极，所述电路控制部分的输出电流流入所述电磁线圈，所述电路控制部分控制所述输出电流的方向和大小。

进一步地，所述电流控制部分包括：微控制器、固态继电器、分压调节电阻、电源、旁路二极管和缓冲电容器；所述微控制器和所述固态继电器连接，所述固态继电器和所述电源连接，在主电路上所述分压调节电阻、所述旁路二极管、所述缓冲电容器和所述电源串联连接，所述主电路上的电流流入所述电磁线圈。

进一步地，所述微控制器根据所需脉冲的宽度和占空比信息输出控制信号给所述固态继电器，所述控制信号通过控制所述固态继电器两端电压的高低来控制所述固态继电器的通断，进而控制所述主电路的通断。

进一步地，通过调整所述分压调节电阻的大小来控制所述主电路上的电流的大小，通过所述旁路二极管来控制所述主电路上的电流的方向，通过所述缓冲电容器来控制所述主电路上的电流的频率和脉宽。

进一步地，所述内磁极与所述铁芯连接，所述电磁线圈绕于所述铁芯上，所述电磁线圈的外围设置底部磁轭，所述底部磁轭的上方与所述上部磁轭相接，所述上部磁轭的上方与所述外磁极相接。

进一步地，所述内磁极、外外磁极为扇叶状结构，并在装配时不同极性的扇叶状磁极交错排布，形成相应的磁极盘，两不同极性的扇叶状磁极间通过一定宽度的气隙隔开。

进一步地，整个磁极盘上设置有4个扇叶状内部磁极和4个扇叶状外磁极，8个扇叶状磁极交错排布形成了8条气隙，进而能使磁极盘上方的磁流变液形成8个柔性研磨头。

进一步地，在底部磁轭与电磁线圈之间、在铁芯与上部磁轭之间、在磁极盘下方以及不同极性磁极的气隙之间安装隔磁板或隔磁条。

进一步地，在所述外磁极靠近磁极盘的中心处开有扇形孔，所述内磁极与所述外磁极在工作时表现不同极性。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的脉宽调制磁场电路通过微控制器、固态继电器、电容器、分压调节电阻等能有效的调节脉宽调制磁场发生器的脉宽调制磁场的频率、脉宽和强度，进而使磁流变液形成硬度和剪切屈服应力可变，并能自行更新磁性颗粒和磨粒的“柔性研磨头”，这使得该脉宽调制磁场发生器在磁流变抛光设备中能针对不同材料的工件实现更为高效和高质量的抛光。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明用于磁流变抛光的脉宽调制磁场发生器的整体结构示意图。

图2是本发明优选实施例脉宽调制磁场发生器的轴侧图。

图3是本发明优选实施例脉宽调制磁场发生器的内部结构剖视图。

图4是本发明优选实施例脉宽调制磁场发生器磁极盘的俯视图。

图中，1微控制器，2固态继电器，3分压调节电阻，4电源，5二极管，6电容器，7电磁线圈，8內磁极，9底部磁轭，10上部磁轭，11隔磁板或隔磁条和12外磁极。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种可产生特定分布形式的脉宽调制磁场且脉宽调制磁场的频率、脉宽和强度可调的脉宽调制磁场发生装置，互相连接的电路控制部分和磁回路结构部分，所述磁回路结构部分包括：电磁线圈、铁芯、内磁极、底部磁轭、上部磁轭、隔磁条和外磁极，所述电路控制部分的输出电流流入所述电磁线圈，所述电路控制部分控制所述输出电流的方向和大小。

上述脉宽调制磁场发生装置工作时电磁线圈产生具有特定频率、脉宽和强度的脉宽调制磁场，该脉宽调制磁场通过铁芯、底部和上部磁轭传导到磁极盘，并在磁极盘上方形成特定分布形式的脉宽调制磁场，从而使磁流变抛光盘的磁流变液形成特定形式的多缎带“柔性研磨头”，并作用在工件表面来实现工件表面材料的去除。

上述控制电路部分包括微控制器、固态继电器、分压调节电阻、大功率电源、旁路二极管、缓冲电容器，所述微控制器和所述固态继电器连接，所述固态继电器和所述电源连接，在主电路上所述分压调节电阻、所述旁路二极管、所述缓冲电容器和所述电源串联连接，所述主电路上的电流流入所述电磁线圈。

控制电路部分调制磁场的频率、脉宽及强度的过程包括：首先给微控制器输入所需脉冲的宽度和占空比信息，微控制器则通过输出信号控制固态继电器两端电压的大小来控制固态继电器的通断，进而控制主电路的通断，并在缓冲电容器对电流脉宽的调节下在主电路中形成相应频率和脉宽的脉冲电流，即通过所述缓冲电容器来控制所述主电路上的电流的频率和脉宽。通过调整所述分压调节电阻的大小来控制所述主电路上的电流的大小，通过所述旁路二极管来控制所述主电路上的电流的方向，最终使得电磁线圈产生一定频率、脉宽和强度的脉宽调制磁场。

在本发明实施例提供的脉宽调制磁场发生器中，所述内磁极与所述铁芯连接，所述电磁线圈绕于所述铁芯上，所述电磁线圈的外围设置底部磁轭，所述底部磁轭的上方与所述上部磁轭相接，所述上部磁轭的上方与所述外磁极相接。

在本发明实施例提供的脉宽调制磁场发生器中，将内外磁极设计成扇叶状，并在装配时不同极性的扇叶状磁极交错排布，从而形成相应的磁极盘；两不同极性的扇叶状磁极间通过一定宽度的气隙隔开，以便在气隙上方形成磁场强度由磁极盘中心向磁极盘外围逐渐递减的梯度磁场，从而控制该气隙上方的磁流变液形成对应形式的“柔性研磨头”；整个磁极盘上有4个扇叶状内部磁极和4个扇叶状外磁极，8个扇叶状磁极交错排布形成了8条气隙，进而能使磁极盘上方的磁流变液形成8个“柔性研磨头”，从而有效的提高抛光效率和抛光质量。

在本发明实施例提供的脉宽调制磁场发生器中，在底部磁轭与电磁线圈之间、铁芯与上部磁轭之间、磁极盘下方以及不同极性磁极的气隙之间安装隔磁板或隔磁条，隔磁板或隔磁条的存在能有效防止磁场传导过程中的漏磁以及加强磁极间气隙上方的磁场强度，使其满足磁流变抛光的磁场需求。

图1为本发明实施例提供的一种用于磁流变抛光的脉宽调制磁场发生器的整体结构示意图，互相连接的电路控制部分和磁回路结构部分，电路控制部分包括大功率电源、固态继电器、微控制器、电容器、分压调节电阻、二极管，磁回路结构部分包括电磁线圈、内部磁极及铁芯、底部磁轭、上部磁轭、隔磁板或隔磁条、磁极盘等。其中固态继电器通过微控制器控制，使其控制主电路的通断，而电容器能更好的对该脉冲电流的脉宽进行调节，主电路的通断以及电容器的调节会在主电路中产生特定频率和脉宽的脉冲电流，该脉冲电流通过分压调节电阻和二极管来进行大小和方向的限定，进而促使电磁线圈产生具有特定频率、脉宽和强度的脉宽调制磁场；该脉宽调制磁场通过铁芯、底部磁轭和上部磁轭传导到磁极盘，并在磁极盘上方形成特定分布形式的脉宽调制磁场，该脉宽调制磁场作用于抛光盘中的磁流变液，使磁流变液形成相应的“柔性研磨头”，进而对工件表面进行抛光。

图2是本发明优选实施例脉宽调制磁场发生器的轴侧图，图3是脉宽调制磁场发生器的内部结构剖视图，图4是脉宽调制磁场发生器磁极盘的俯视图。该调制磁场发生装器的机械结构部分可细分为电磁线圈、底部磁轭、上部磁轭、内部磁极及铁芯、外部磁极、电磁线圈与底部磁轭间的隔磁板、铁芯与上部磁轭间的隔磁板、磁极盘下方隔磁板和磁极间隔磁条，电磁线圈绕在铁芯上并被隔磁板和底部磁轭所包裹，上部磁轭套在铁芯上部中间通过隔磁板隔开，外部磁极与上部磁轭相连接，内部磁极则与铁芯相接；磁极盘是由内外部扇叶状磁极交错排布组合而成。

如图4所示，磁极盘下方装有隔磁板，内部磁极和外部磁极都有4个扇叶，相邻两个扇叶磁极通过沿磁极盘径向的条形气隙相隔开，且相邻两个扇叶磁极具有不同的极性；工作时电磁线圈在脉冲电流作用下产生相应的脉宽调制磁场，脉宽调制磁场经过底部磁轭、上部磁轭以及铁芯等磁回路结构传导到磁极盘，并在磁极盘的8条气隙上方产生磁场强度由内到外逐渐递减的脉冲梯度磁场，进而使其上方抛光盘中的磁流变液形成8个相同的“柔性研磨头”该“柔性研磨头”对工件表面进行抛光。

整个磁回路结构中底部磁轭、上部磁轭、内部磁极及铁芯和外部磁极都属于磁导率较高的材料，这样能减小磁场传导过程中的漏磁，而各隔磁板和隔磁条则都为不导磁材料，其在防止漏磁的同时也起到增强磁极气隙的上方磁场强度的作用。该脉宽调制磁场发生器能使磁流变抛光过程的抛光工件范围适应性、抛光效率和抛光质量得到很好的提高。

综上所述，本发明实施例的脉宽调制磁场电路通过微控制器、固态继电器、电容器、分压调节电阻等能有效的调节脉宽调制磁场发生器的脉宽调制磁场的频率、脉宽和强度，进而使磁流变液形成硬度和剪切屈服应力可变，并能自行更新磁性颗粒和磨粒的“柔性研磨头”，这使得该脉宽调制磁场发生器在磁流变抛光设备中能针对不同材料的工件实现更为高效和高质量的抛光。

本发明实施例的脉宽调制磁场发生器的磁极采用扇叶状设计，并由不同极性的磁极交错排布形成磁极盘，这使得本发明与现有磁流变磁场发生器相比，其能形成脉宽调制磁场频率、脉宽和强度可控且磁场强度由磁极盘中心向外呈递减分布的磁场，且由于磁极盘为对称结构并具有多条气隙，所以在抛光盘中磁极盘上方的磁流变液就能形成多条特性相同的抛光缎带，进而实现多缎带高效抛光。本发明能针对不同工件通过调节所需脉宽调制磁场的频率、脉宽和强度来实现适应性更广、效率更高以及抛光质量更好的抛光。

本发明实施例提出了一种用于半导体材料磁流变平面抛光的脉宽调制磁场发生装置，该磁场发生器特定磁极盘、隔磁条或隔磁板及磁路结构的设计能为磁流变抛光提供均匀分布的磁场，从而提高磁流变抛光的抛光效率及被抛工件的表面质量；另外该脉冲磁场发生器通过产生频率、脉宽及强度可调的梯度磁场有效加速磁流变液所形成的“柔性研磨层”中磁性颗粒和磨粒的更新来提高抛光效率与抛光质量。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于磁流变平面抛光的电控永磁式磁场发生装置，其特征在于，包括：

互相连接的电路控制部分和磁回路结构部分，所述磁回路结构部分包括：电磁线圈、铁芯、内磁极、底部磁轭、上部磁轭、隔磁板或隔磁条和外磁极，所述电路控制部分的输出电流流入所述电磁线圈，所述电路控制部分控制所述输出电流的方向和大小；

所述内磁极与所述铁芯连接，所述电磁线圈绕于所述铁芯上，所述电磁线圈的外围设置底部磁轭，所述底部磁轭的上方与所述上部磁轭相接，所述上部磁轭的上方与所述外磁极相接；

所述内磁极、外磁极为扇叶状结构，并在装配时不同极性的扇叶状磁极交错排布，形成相应的磁极盘，两不同极性的扇叶状磁极间通过气隙隔开。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电路控制部分包括：微控制器、固态继电器、分压调节电阻、电源、旁路二极管和缓冲电容器；所述微控制器和所述固态继电器连接，所述固态继电器和所述电源连接，在主电路上所述分压调节电阻、所述旁路二极管、所述缓冲电容器和所述电源串联连接，所述主电路上的电流流入所述电磁线圈。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述微控制器根据所需脉冲的宽度和占空比信息输出控制信号给所述固态继电器，所述控制信号通过控制所述固态继电器两端电压的高低来控制所述固态继电器的通断，进而控制所述主电路的通断。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，通过调整所述分压调节电阻的大小来控制所述主电路上的电流的大小，通过所述旁路二极管来控制所述主电路上的电流的方向，通过所述缓冲电容器来控制所述主电路上的电流的频率和脉宽。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，整个磁极盘上设置有4个扇叶状内部磁极和4个扇叶状外磁极，8个扇叶状磁极交错排布形成了8条气隙，进而能使磁极盘上方的磁流变液形成8个柔性研磨头。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在底部磁轭与电磁线圈之间、在铁芯与上部磁轭之间、在磁极盘下方以及不同极性磁极的气隙之间安装隔磁板或隔磁条。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，在所述外磁极靠近磁极盘的中心处开有扇形孔，所述内磁极与所述外磁极在工作时表现不同极性。