CN110275097B - 纳米级间隙电火花放电测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米级间隙电火花放电测试系统及方法，其中，系统包括：微细工具电极，作为工具电极用于微细电火花放电；硅片，作为工件电极用于微细电火花放电，硅片的导电膜上预设厚度制备的绝缘膜用作击穿介质，以给目标纳米级放电间隙；一维移动平台，用于固定并移动定位硅片，以使硅片上的绝缘膜与微细工具电极接触并使悬挂的导电丝产生目标角度扭转；扭矩悬挂系统，用于利用导电丝的目标角度的扭转生成扭矩，使微细工具电极与硅片上的绝缘薄膜微力接触，且不刺穿绝缘薄膜，以得到在目标纳米级间隙情况下更微能量脉冲放电电源性能测试结果。该系统操作过程简单方便、成本低、可靠性高，易于实现自动化调控和测试过程。
Description
技术领域
本发明涉及微细特种加工技术领域，特别涉及一种纳米级间隙电火花放电测试系统及方法。
背景技术
微细电火花加工技术可在金属合金等导电材料上实现微孔、微槽、微三维结构的较高精度加工，具有不受工件材料强度、刚度和硬度的机械性能限制优点，在难加工材料微细精密加工制造方面发挥着重要作用。
随着微细电火花加工在纳米级尺度去除量级研究深入，有待实现纳米级间隙的微细电火花加工研究，这迫切需要解决给定纳米级间隙情况下的更微能量脉冲放电电源性能测试及优化问题。更微能量脉冲电源可通过减小单次放电脉宽至纳秒量级，获得需要的更微能量。然而，重复且准确给定工具电极和工件之间的纳米间隙具有挑战性和技术难度。
目前，用于纳秒量级脉宽的微能量脉冲电源性能测试及优化的给定纳米放电间隙研究较少。常用的准确控制纳米间隙方法是利用压电陶瓷驱动的纳米定位平台，这是通过压电效应准确控制进给步长达到纳秒级定位精度来调控距离，但这种压电定位平台不仅整个系统复杂且昂贵、操作控制过程复杂，并且易受机械振动、刚度等自身和外界因素影响，难以实现重复精确给定一致性精度非常高的纳米级间隙。
为实现给定纳米级间隙情况下更微能量脉冲放电电源性能测试，目前尚缺少一种简便、准确度高、可靠的给定纳米级放电间隙的系统及方法。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种纳米级间隙电火花放电测试系统，该系统操作过程简单方便、成本低、可靠性高，易于实现自动化调控和测试过程。
本发明的另一个目的在于提出一种纳米级间隙电火花放电测试方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种纳米级间隙电火花放电测试系统，包括：微细工具电极，作为工具电极用于微细电火花放电；硅片，作为工件电极用于微细电火花放电，所述硅片的导电膜上预设厚度制备的绝缘膜用作击穿介质，以给目标纳米级放电间隙；一维移动平台，用于固定并移动定位所述硅片，以使所述硅片上的绝缘膜与所述微细工具电极接触并使悬挂的导电丝产生目标角度扭转；扭矩悬挂系统，用于利用所述导电丝的目标角度的扭转生成扭矩，使所述微细工具电极与所述硅片上的绝缘薄膜微力接触，且不刺穿所述绝缘薄膜，以得到在所述目标纳米级间隙情况下更微能量脉冲放电电源性能测试结果。
本发明实施例的纳米级间隙电火花放电测试系统，通过精确可控地制备纳米级厚度的绝缘膜来精确调控纳米级放电间隙，可实现相同纳米级放电间隙的精确重复放电测试；纳米级间隙大小通过调整制备的绝缘膜厚度来保证，由于绝缘膜厚度可以精确调控甚至1nm量级，这样可以方便地实现精确调控纳米级间隙大小；通过扭矩悬挂系统实现微细工具电极与绝缘薄膜微力接触，从而保证纳米级间隙的准确大小，这样的物理接触方式不易受振动等外在因素影响，提高了纳米级间隙调控的重复性精度和可靠性；操作过程简单方便、成本低、可靠性高，易于实现自动化调控和测试过程。
另外，根据本发明上述实施例的纳米级间隙电火花放电测试系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：双通道数字示波器，用于显示性能测试中放电波形。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，所述导电膜可以为镀金膜，所述绝缘膜可以为氧化铝膜。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种纳米级间隙电火花放电测试方法，采用上述实施例所述的测试系统，其中，所述方法包括：制备所述微细工具电极与所述硅片的导电膜和绝缘膜；利用稀酸去除一半面积的绝缘膜；搭建所述扭矩悬挂系统，并且将所述硅片固定在所述一维移动平台上；导通所述测试系统的电路，并移动所述硅片使所述导电丝扭转；获取在所述目标纳米级间隙情况下更微能量脉冲放电电源性能测试结果。
本发明实施例的纳米级间隙电火花放电测试方法，通过精确可控地制备纳米级厚度的绝缘膜来精确调控纳米级放电间隙，可实现相同纳米级放电间隙的精确重复放电测试；纳米级间隙大小通过调整制备的绝缘膜厚度来保证，由于绝缘膜厚度可以精确调控甚至1nm量级，这样可以方便地实现精确调控纳米级间隙大小；通过扭矩悬挂系统实现微细工具电极与绝缘薄膜微力接触，从而保证纳米级间隙的准确大小，这样的物理接触方式不易受振动等外在因素影响，提高了纳米级间隙调控的重复性精度和可靠性；操作过程简单方便、成本低、可靠性高，易于实现自动化调控和测试过程。
另外，根据本发明上述实施例的纳米级间隙电火花放电测试方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：开启所述双通道数字示波器的电源，以通过所述双通道数字示波器观测所述放电波形。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分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
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的纳米级间隙电火花放电测试系统的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的纳米级间隙电火花放电测试系统的实物示意图；
图3为根据本发明实施例的硅片上薄膜结构示意图及实物图；
图4为根据本发明实施例的纳米级间隙电火花放电测试方法的流程图；
图5为根据本发明一个实施例的纳米级间隙电火花放电测试方法的流程图；
图6为根据本发明实施例的纳米级间隙电火花放电测试波形图。
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。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的纳米级间隙电火花放电测试系统及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的纳米级间隙电火花放电测试系统。
图1是本发明一个实施例的纳米级间隙电火花放电测试系统的结构示意图。
如图1所示，该纳米级间隙电火花放电测试系统10包括：微细工具电极100、硅片200、一维移动平台300和扭矩悬挂系统400。
其中，微细工具电极100作为工具电极用于微细电火花放电。硅片200作为工件电极用于微细电火花放电，硅片200的导电膜上预设厚度制备的绝缘膜用作击穿介质，以给目标纳米级放电间隙。一维移动平台300用于固定并移动定位硅片200，以使硅片200上的绝缘膜与微细工具电极100接触并使悬挂的导电丝产生目标角度扭转。扭矩悬挂系统400用于利用导电丝的目标角度的扭转生成扭矩，使微细工具电极100与硅片200绝缘薄膜微力接触，且不刺穿绝缘薄膜，以得到在目标纳米级间隙情况下更微能量脉冲放电电源性能测试结果。本发明实施例的系统10操作过程简单方便、成本低、可靠性高，易于实现自动化调控和测试过程。
其中，本领域技术人员可以根据实际情况设置预设厚度，在此不做具体限定。导电丝可以为细长导电丝，比如，细长钢丝，其中，导电丝的直径应足够小，从而可以保证当其为小扭转角时产生的扭矩足够小。
进一步地，在本发明的一个实施例中，导电膜可以为镀金膜，绝缘膜可以为氧化铝膜，当然，导电膜和绝缘膜均还可以为其他材质的膜，本领域技术人员可以根据实际需求选择具体材质，在此仅作为示例，不做具体限定。
具体地，导电膜和绝缘膜的一种制备工艺为：在表面光滑的硅片上利用物理气相沉积或者化学气相沉积方法沉积一层导电膜(以金膜为例)；再在导电膜上利用原子层沉积方法沉积一定给定纳米厚度的绝缘膜(以氧化铝膜为例)；将硅片竖直半浸泡在稀酸溶液(以稀硫酸为例)中，从而洗掉一部分面积的绝缘膜；最后用去离子水清洗留有薄膜的硅片并烘干。
进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的系统10还包括：双通道数字示波器。其中，双通道数字示波器，用于显示性能测试中放电波形。
可以理解的是，纳米级间隙电火花放电测试系统10主要由微细工具电极100、覆盖有导电膜(以金膜为例)和绝缘膜(以氧化铝膜为例)的硅片200、一维移动平台300、扭矩悬挂系统400、双通道数字示波器组成。微细工具电极100作为微细电火花放电的工具电极；硅片200上的导电膜用作微细电火花放电的工件电极，导电膜上给定厚度制备的绝缘膜用作击穿介质，以给定纳米级放电间隙；一维移动平台300用于固定硅片并移动定位硅片，从而使硅片上绝缘膜与微细工具电极接触并使其悬挂的细长导电丝(以细长钢丝为例)产生小幅度扭转；扭矩悬挂系统是利用细长导电丝小幅度扭转而产生的微小扭矩，使保证微细工具电极与硅片上绝缘薄膜微力接触并且不刺穿薄膜。
具体而言，如图1和图2所示，本发明实施例的系统10主要组成包括：(1)微细工具电极100：作为微细电火花放电的工具电极；(2)覆盖薄膜硅片200：覆盖有导电膜用作微细电火花放电的工件电极，以金膜为例用以改善导电性，再覆盖纳米级厚度的绝缘膜以给定纳米级放电间隙，以氧化铝膜为例作为击穿介质，去除部分氧化铝薄膜以露出金膜，如图3所示；(3)一维移动平台300：用作固定硅片并移动硅片；(4)扭矩悬挂系统400：使硅片上绝缘膜与微细工具电极接触并使其悬挂在细长导电丝上，细长导电丝以细长钢丝为例，通过细长钢丝来提供小幅度扭转角以产生微小扭矩，保证微细工具电极针尖与硅片上绝缘薄膜微力接触并且不刺穿薄膜；(5)双通道数字示波器：用于观测微细工具电极与硅片上金膜之间的放电波形。
综上，在硅片光滑表面覆盖金膜或银膜，并在金膜或银膜上再覆盖一定厚度的绝缘膜作为击穿介质，用酸洗掉一部分绝缘膜以露出金膜或银膜连接脉冲电源负极；一维移动平台用于固定并移动定位硅片；扭矩悬挂系统利用细长丝小角度扭转调控微小扭矩，保证微细工具电极与硅片上绝缘薄膜微力接触并且不刺穿薄膜。纳米级厚度绝缘膜即为放电击穿间隙，通过此方法模拟纳米级放电间隙，用于测试微细电火花加工脉冲电源在给定纳米间隙的放电特性。
根据本发明实施例提出的纳米级间隙电火花放电测试系统，通过精确可控地制备纳米级厚度的绝缘膜来精确调控纳米级放电间隙，可实现相同纳米级放电间隙的精确重复放电测试；纳米级间隙大小通过调整制备的绝缘膜厚度来保证，由于绝缘膜厚度可以精确调控甚至1nm量级，这样可以方便地实现精确调控纳米级间隙大小；通过扭矩悬挂系统实现微细工具电极与绝缘薄膜微力接触，从而保证纳米级间隙的准确大小，这样的物理接触方式不易受振动等外在因素影响，提高了纳米级间隙调控的重复性精度和可靠性；操作过程简单方便、成本低、可靠性高，易于实现自动化调控和测试过程。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的纳米级间隙电火花放电测试方法。
图4是本发明一个实施例的纳米级间隙电火花放电测试方法的流程图。
如图4所示，该纳米级间隙电火花放电测试方法，采用上述实施例的测试系统，其中，方法包括以下步骤：
在步骤S401中，制备微细工具电极与硅片的导电膜和绝缘膜。
在步骤S402中，利用稀酸去除一半面积的绝缘膜。
可以理解的是，采用现有的微细加工方法(以微细电解加工方法为例)，制备出具有微纳米级尺度尖端的微细工具电极。在表面光滑的硅片上先沉积一层导电膜(以金膜为例)，再沉积一层给定纳米厚度的绝缘膜(以氧化铝膜为例)，然后去除一部分绝缘膜以露出导电膜。
在步骤S403中，搭建扭矩悬挂系统，并且将硅片固定在一维移动平台上。
可以理解的是，将微细工具电极固定在细长金属棒(以钨棒为例)的一端，再用两根细长导电丝(以细长钢丝为例)将细长金属棒悬挂在固定杆上，调整固定位置使细长金属棒保持平衡，将细长导电丝接电火花加工放电用脉冲电源正极和示波器一端；将硅片固定在一维移动平台上，将露出的导电膜接电火花加工放电用脉冲电源负极和示波器另一端。
在步骤S404中，导通测试系统的电路，并移动硅片使导电丝扭转。
可以理解的是，调整一维移动平台使硅片上绝缘膜与微细工具电极接触并使细长导电丝产生小扭转角。
在步骤S405中，获取在目标纳米级间隙情况下更微能量脉冲放电电源性能测试结果。
进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的方法还包括：开启双通道数字示波器的电源，以通过双通道数字示波器观测放电波形。
可以理解的是，打开电火花加工放电用脉冲电源，通过示波器观测放电波形。
下面将通过具体实施例对纳米级间隙电火花放电测试方法进行进一步阐述。
如图5所示，纳米级间隙电火花放电测试方法操作流程为：
(1)利用微细电解加工方法制备微细工具电极，所得到微细工具电极针尖直径～4μm；
(2)在表面粗糙度为Ra0.1nm的硅片上利用蒸镀法沉积一层50nm厚的金膜，再在金膜上利用原子层沉积方法沉积一层20nm厚的氧化铝膜；
(3)配置2mol/L的稀硫酸溶液，将覆盖有薄膜的硅片竖直半浸泡在稀硫酸溶液中，2min后取出硅片，用去离子水由氧化铝膜到金膜方向冲洗硅片，在60℃温度下烘干10min，得到覆盖薄膜硅片的结构如图3所示；
(4)将硅片固定在一维移动平台上，将硅片上露出金膜部分同时与电火花加工放电用脉冲电源负极和示波器一端电连接；
(5)将微细工具电极固定在长为10cm、直径为0.4mm的钨棒一端，用两根长度为15cm、直径为0.12mm的细长钢丝将钨棒悬挂在固定杆上，调整钢丝的固定位置使长细钨棒保持平衡，将细长钢丝接电火花加工放电用脉冲电源正极和示波器另一端，实验系统如图2所示；
(6)调整一维移动平台使硅片上氧化铝膜与微细工具电极接触，并使细长钢丝产生～1°的扭转角并保持平衡；
(7)打开电火花加工放电用脉冲电源，观测示波器波形，在间隙放电击穿前得到波形如图6(a)，间隙放电击穿时得到波形如图6(b)。
根据本发明实施例提出的纳米级间隙电火花放电测试方法，通过精确可控地制备纳米级厚度的绝缘膜来精确调控纳米级放电间隙，可实现相同纳米级放电间隙的精确重复放电测试；纳米级间隙大小通过调整制备的绝缘膜厚度来保证，由于绝缘膜厚度可以精确调控甚至1nm量级，这样可以方便地实现精确调控纳米级间隙大小；通过扭矩悬挂系统实现微细工具电极与绝缘薄膜微力接触，从而保证纳米级间隙的准确大小，这样的物理接触方式不易受振动等外在因素影响，提高了纳米级间隙调控的重复性精度和可靠性；操作过程简单方便、成本低、可靠性高，易于实现自动化调控和测试过程。
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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种纳米级间隙电火花放电测试系统，其特征在于，包括：
微细工具电极，作为工具电极用于微细电火花放电；
硅片，作为工件电极用于微细电火花放电，所述硅片的导电膜上预设厚度制备的绝缘膜用作击穿介质，以给目标纳米级放电间隙；
一维移动平台，用于固定并移动定位所述硅片，以使所述硅片上的绝缘膜与所述微细工具电极接触并使悬挂的导电丝产生目标角度扭转；
扭矩悬挂系统，用于利用所述导电丝的目标角度的扭转生成扭矩，使所述微细工具电极与所述硅片上的绝缘薄膜微力接触，且不刺穿所述绝缘薄膜，以得到在所述目标纳米级间隙情况下更微能量脉冲放电电源性能测试结果。
2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，还包括：
双通道数字示波器，用于显示性能测试中放电波形。
3.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，其中，
所述导电膜为镀金膜，所述绝缘膜为氧化铝膜。
4.一种纳米级间隙电火花放电测试方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的测试系统，其中，所述方法包括：
制备所述微细工具电极与所述硅片的导电膜和绝缘膜；
利用稀酸去除一半面积的绝缘膜；
搭建所述扭矩悬挂系统，并且将所述硅片固定在所述一维移动平台上；
导通所述测试系统的电路，并移动所述硅片使所述导电丝扭转；以及
获取在所述目标纳米级间隙情况下更微能量脉冲放电电源性能测试结果。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：
开启双通道数字示波器的电源，以通过所述双通道数字示波器观测所述放电波形。
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