CN113046803A - 一种提高掩膜电解加工精度的弧形喷射阴极移动装置及方法 - Google Patents

一种提高掩膜电解加工精度的弧形喷射阴极移动装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种利用弧形喷射阴极移动提高掩膜电解加工精度的装置及方法，包括弧形阴极喷嘴结构、阳极工件、电解槽、电机、导轨、移动滑块、传动丝杠、支撑梁。阳极工件置于电解槽底部，完全浸没于电解液中，与阴极喷嘴形成导电回路。电机驱动传动丝杠转动，传动丝杠带动滑块及其上面的支撑梁沿着导轨做往复平移运动。弧形阴极喷嘴结构固定于支撑梁上，移动机构带动其位置变化。掩膜电解加工过程中采用弧形移动阴极达到改善加工过程中电场分布的目的，提高微结构的刻蚀均匀性。弧形阴极上喷射的电解液能够将微结构内的电解产物及时排出，增强传质，提高定域蚀除能力。本发明操作简单易行，能够有效地提高金属微结构的均匀性和定域性，提高掩膜电解加工精度。

Description

一种提高掩膜电解加工精度的弧形喷射阴极移动装置及方法
技术领域
本发明属于微细电解加工领域，涉及一种掩膜电解加工装置及方法，尤其是涉及一种提高掩膜电解加工精度的弧形喷射阴极移动装置及方法。
背景技术
随着微纳米技术的快速发展，金属微结构的应用领域也在不断扩大。目前，金属微结构的常见加工方法有激光微细加工、超声微细加工、微铣削加工、电火花加工以及电解加工等。其中，电解加工凭借其工具电极无损耗、加工后工件表面质量好、无残余应力且生产效率高等优点被广泛应用。掩膜电解加工作为电解加工技术的一种，具有生产成本低、可一次大批量成型加工金属微结构的优势，具有广泛的应用前景。
在金属微结构的掩膜电解加工过程中，由于电流的边缘效应，电解加工得到的金属微结构往往存在中间区域和边缘区域刻蚀深度不一致的问题。这种深度不均匀现象严重影响了结构的尺寸均匀性，同时增加了微结构后处理的难度和成本。并且由于金属具有各向同性刻蚀的属性，加工过程中的侧向腐蚀现象不可避免，这种侧蚀现象降低了掩膜电解加工的定域蚀除能力。
针对掩膜电解加工中存在的上述问题，科研人员开展了一些探索性的研究工作。如发明专利CN104607734A公开了一种辅助阳极掩膜微细电解加工阵列微坑的系统及方法。该方法利用环绕在工件阳极四周的辅助阳极来改善电场分布，使工件边缘区域与中间区域的电流密度趋于一致，从而提高微坑阵列的尺寸均匀性。然而，该方法对结构均匀性的改善作用有限，并且辅助阳极会消耗一定的阳极电流，使得工件的加工效率降低。
发明专利CN 205437394 U公开了一种线型电极曲面电解放电加工系统，提出利用线型阴极和工件的相对运动来加工阵列结构。将掩膜覆盖在工件的加工表面上，使得电解放电反应仅作用在未覆盖掩膜的区域。同时利用阴极的快速移动不断地更新电解液，使反应更加充分，从而提升阵列结构的加工质量。但由于线型电极紧贴着掩膜运动，电火花加工中的火花放电现象容易使掩膜损坏，导致加工精度不高。
《第17届全国特种加工学术会议论文集(上册)》487-494页提出磁场辅助泡沫阴极掩膜电解加工微坑阵列的方法。在磁场力压紧掩膜的同时，磁致对流效应还能够促进反应产物的排出、改善流体环境，从而获得均匀一致的微坑阵列。然而磁场的引入提高了加工的复杂性，且只有当加工电压和运动速度等参数在优选范围内时，电解加工微坑阵列的均匀性才会有一定程度的改善。
发明专利CN 107116274 A公开了一种空化射流辅助掩膜电解加工阵列微坑的方法，在加工表面覆盖具有通孔结构的掩膜板，向通孔内喷射电解液，利用空化射流电解液溃灭形成的微型水射流排出凹坑中的电解产物，均匀去除钝化膜，提高微坑阵列的加工精度与表面质量。然而，此方法没有考虑微坑阵列结构之间的尺寸均匀性。并且在加工大面积金属微结构时需要不断地移动喷头才能实现对每个微结构的加工，从而导致该方法的加工效率较低。
综上所述，现有的改善掩膜电解加工精度的方法有一定的局限性，掩膜电解加工金属微结构时难以保证加工质量及加工精度要求。因此，有必要发明一种新的提高掩膜电解加工精度的装置及方法，改善掩膜电解加工金属微结构的均匀性和定域性，提高微结构的加工精度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种提高掩膜电解加工精度的弧形喷射阴极移动装置及方法。掩膜电解加工过程中采用弧形移动阴极达到改善加工过程中电场分布的目的，从而提高微结构的刻蚀均匀性。与此同时，弧形阴极上喷射的电解液能够将微结构内的电解产物及时排出，增强传质作用，提高定域蚀除能力，最终达到提高掩膜电解加工精度的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种提高掩膜电解加工精度的弧形喷射阴极移动装置，包括弧形阴极喷嘴结构1、阳极工件2、移动机构3、电解槽4。
所述的移动机构3位于电解槽4上方，包括电机31、移动滑块32、传动丝杠33、导轨34、紧定螺钉35、支撑梁36。所述的两个导轨34相互平行布置在电解槽4上方，其中一个导轨34上设有与电机31连接传动丝杠33；每个导轨34上设有移动滑块32，支撑梁36设于两个移动滑块32之间。所述的弧形阴极喷嘴结构1作为导电阴极，为板状结构，一侧边为弧形结构，其上设有密集排布的喷嘴结构，喷嘴的孔径略小于导电阴极板厚度，为通孔结构，通孔方向为垂直方向。所述的弧形阴极喷嘴结构1固定在支撑梁36上，且弧形结构的一侧位于下方；所述支撑梁36与导轨34上的移动滑块32连接在一起，形成龙门式结构。所述弧形阴极结构作为导电阴极的同时，也可使垂直于移动方向上的边缘处阴阳极间距减小，从而减弱了电流的边缘效应。
所述阳极工件2置于电解槽4底部，将其完全浸没于电解液5中，且电解槽4底部留有出液口41。电解液5从弧形阴极喷嘴结构1喷射到阴极喷嘴结构1下方的阳极工件2表面，将阳极工件2表面的电解产物从电解槽4底部出液口41排出，实现电解液5循环。
所述弧形阴极喷嘴结构1与阳极工件2分别连接到电解电源7的负极和正极上，作为电解加工的阴极和阳极。
所述电机31驱动传动丝杠33转动，传动丝杠33带动移动滑块32及其上面的支撑梁36沿着导轨34做往复平移运动；通过支撑梁36带动弧形阴极喷嘴结构1运动，使阴阳极之间的相对位置不断发生变化，改善移动方向上的电场分布。
进一步地，所述的弧形阴极喷嘴结构1选用金属材质。
进一步地，所述的弧形阴极喷嘴结构1侧面的弧形结构的曲率圆直径与阴极宽度一致。
进一步地，所述的电解槽4可选尼龙、聚丙烯、聚氯乙烯、玻璃、石英等不导电且耐腐蚀材料。
进一步地，所述电解液5通过泵送方式，从弧形阴极喷嘴结构1上端口流入，下端口喷射出，喷射到弧形阴极喷嘴结构1下方的阳极工件2表面，再从电解槽出液口41流出，不断循环更新，及时将电解产物排出。
进一步地，所述的阳极工件2为金属板状结构。
一种基于上述装置实现掩膜电解加工的弧形喷射阴极移动电解方法，该方法具体包括以下加工步骤：
(一)金属基板预处理：
采用不同粒度的砂纸对阳极工件2进行研磨抛光处理；超声清洗后烘干水分，冷却至室温待用。
(二)阳极基板图形化：
在经过预处理的阳极工件2表面涂覆光刻胶膜，然后进行曝光、显影等工艺操作，实现阳极金属板图形化并形成掩膜图案。
(三)弧形喷射阴极移动掩膜电解加工：
进行电解加工实验，将具有图形化掩膜的阳极工件2与电解电源7的正极相连，用作电解加工过程中的阳极，并将其固定于电解槽4底部。弧形阴极喷嘴结构1与电解电源7的负极相连，作为电解加工的阴极。
将电解液5注入到电解槽4中，然后启动电机31带动传动机构33实现阴极的往复运动。电解液5从弧形阴极喷嘴结构1喷射到阳极工件2表面，从电解槽4的出液口41流出，通过泵送方式不断循环更新。
开启电解电源7，进行掩膜电解加工，在加工过程中，阳极工件2未覆盖掩膜的区域接触电解液5发生电解刻蚀反应。电解加工完成后取出阳极工件2进行去胶处理，获得阳极工件上尺寸均匀的金属微结构。
本发明的有益效果为：本发明通过采用弧形移动阴极，改善移动方向和垂直于移动方向上的电场分布，减弱了电流边缘效应，使得微结构在移动方向和垂直于移动方向上的刻蚀均匀性均得到提高。与此同时，弧形阴极喷嘴结构喷射的电解液可将电解产物及时排出，改善了流体传质，提高了加工定域性。采用此方法可以提高掩膜电解加工的均匀性和定域性，提高加工精度，保证加工质量，实现高精度微结构的制作。
附图说明
图1为本发明电解设备整体三维视图；
图2为本发明移动机构三维视图；
图3为本发明中弧形阴极喷嘴结构的三维视图；
图4为本发明中电解槽的三维视图；
图5为移动方向上弧形喷射阴极移动掩膜电解加工示意图；
图6为垂直于移动方向上弧形喷射阴极移动掩膜电解加工示意图；
图中：1弧形阴极喷嘴结构；2阳极工件；3移动机构；31电机；32移动滑块；33传动丝杠；34导轨；35紧定螺钉；36支撑梁；4电解槽；41出液口；5电解液；6掩膜；7电解电源。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详述。
一种提高掩膜电解加工精度的弧形喷射阴极移动装置结构如图1所示。其中包括：弧形阴极喷嘴结构1、阳极工件2、移动机构3、电解槽4，阳极工件2放置于电解槽4底部，移动机构3固定于电解槽4上，弧形阴极喷嘴结构1固定在移动机构3上面。移动机构3结构如图2所示，电机31驱动传动丝杠33转动，传动丝杠33带动装配在其上面的移动滑块32沿着导轨34做往复平移运动。通过紧定螺钉35将支撑梁36与移动滑块32连接在一起。如图3所示为弧形阴极喷嘴结构1的示意图，电解液从阴极喷嘴结构1上端口流入，下端口喷射出，形成射流。如图4为电解槽4的结构示意图，电解槽4底部开有出液口41，电解液5以泵送的方式由弧形阴极喷嘴结构1流入电解槽，经出液口41流出，实现电解液循环。
如图5为移动方向上弧形喷射阴极移动掩膜电解加工示意图，带有光刻胶掩膜6的阳极工件2与电解电源7的正极相连，作为电解加工的阳极；弧形阴极喷嘴结构1与电解电源7的负极相连，作为电解加工的阴极。弧形阴极喷嘴结构1做往复平移运动，电解液5浸没阳极工件2和弧形阴极喷嘴结构1的喷口处，形成导电回路。如图6为垂直于移动方向上弧形喷射阴极移动掩膜电解加工示意图，弧形阴极喷嘴结构1的中心部位距离阳极工件较近，边缘部位距离阳极工件较远，利用阴阳极之间的这种距离差，改善电场分布情况。
利用本发明的弧形喷射阴极移动装置提高掩膜电解加工精度的方法，由以下工艺步骤实现。首先对金属基板进行预处理，然后在金属基板上制作图形化的光刻胶掩膜结构。光刻胶图形化过程包括涂覆光刻胶膜，前烘，曝光，后烘，显影等工艺步骤，其中光刻胶掩膜图形为长度3cm，宽度100μm的微沟槽结构，沟槽间距为500μm，微沟槽阵列由40个微沟槽结构组成。光刻胶膜图形化制作完成后，将弧形阴极喷嘴结构1固定于支撑梁36上并与电解电源7负极相连，阳极工件2放置于电解槽4底部固定并与电解电源7正极相连，非加工区域做绝缘处理。调节并固定弧形阴极喷嘴结构1与阳极工件2的距离。电源通电后，电机31带动传动丝杠33转动，从而使固定于支撑梁36上的弧形阴极喷嘴结构1作平移运动。在电解加工中，电解电源7的电压设定为8V，占空比为30％，加工时间为60s，电解液为质量分数15％的NaNO3溶液，电解液从弧形阴极喷嘴结构1喷射出，从电解槽出液口41流出，不断循环更新。在以上的加工条件下，进行电解加工实验，电解加工完成后取出阳极工件进行去胶处理。
采用本发明弧形喷射阴极移动掩膜电解加工方法与固定阴极掩膜电解加工方法分别对微沟槽阵列结构进行刻蚀。刻蚀完成后对结果进行统计：固定阴极掩膜电解加工方法获得的微沟槽结构的平均刻蚀深度为30.56μm，平均刻蚀宽度为134.92μm，蚀刻因子EF为1.75；弧形喷射阴极移动掩膜电解加工方法获得的微沟槽结构的平均刻蚀深度为37.47μm，平均刻蚀宽度为128.07μm，蚀刻因子EF为2.67，刻蚀定域性提高了52.57％。此外，固定阴极掩膜电解加工后获得的微沟槽刻蚀深度最大和最小值分别为39.8μm、25.2μm，刻蚀深度不均匀度为57.94％；弧形喷射阴极移动掩膜电解加工后获得的微沟槽刻蚀深度最大和最小值分别为41.7μm、35.2μm，刻蚀深度不均匀度为18.47％，微沟槽结构的刻蚀深度均匀性提高了68.12％。采用本发明弧形喷射阴极移动装置及方法，能够有效改善电解加工过程中的电场分布，减弱电流边缘效应，提高微结构的定域蚀除能力，最终达到改善掩膜电解加工金属微结构的均匀性和定域性，提高微结构的加工精度的目的。
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。

Claims (5)

1.一种提高掩膜电解加工精度的弧形喷射阴极移动装置，其特征在于，所述的装置包括弧形阴极喷嘴结构(1)、阳极工件(2)、移动机构(3)、电解槽(4)；
所述的移动机构(3)位于电解槽(4)上方，包括电机(31)、移动滑块(32)、传动丝杠(33)、导轨(34)、支撑梁(36)；所述的两个导轨(34)相互平行布置在电解槽(4)上方，其中一个导轨(34)上设有与电机(31)连接的传动丝杠(33)；每个导轨(34)上均设有移动滑块(32)，支撑梁(36)设于两个移动滑块(32)之间；所述支撑梁(36)与导轨(34)上的移动滑块(32)连接在一起，形成龙门式结构；
所述的弧形阴极喷嘴结构(1)为板状结构作为导电阴极，其一侧边为弧形结构，导电阴极上设有密集排布的喷嘴结构，为通孔结构；弧形阴极喷嘴结构(1)固定在支撑梁(36)上，且设有弧形结构的一侧位于下方；弧形阴极喷嘴结构(1)与阳极工件(2)分别连接到电解电源(7)的负极和正极上，作为电解加工的阴极和阳极；
所述阳极工件(2)置于电解槽(4)底部，浸没于电解液(5)中，电解槽(4)底部留有出液口(41)，电解液(5)从弧形阴极喷嘴结构(1)喷射到阴极喷嘴结构(1)下方的阳极工件(2)表面，将阳极工件(2)表面的电解产物从电解槽(4)底部出液口(41)排出，实现电解液(5)循环；
所述电机(31)驱动传动丝杠(33)带动移动滑块(32)及其上面的支撑梁(36)沿导轨(34)做往复平移运动；通过支撑梁(36)带动弧形阴极喷嘴结构(1)运动，使阴阳极之间的相对位置不断发生变化，改善移动方向上的电场分布。
2.根据权利要求1所述的一种提高掩膜电解加工精度的弧形喷射阴极移动装置，其特征在于，所述的弧形阴极喷嘴结构(1)选用金属材质。
3.根据权利要求1所述的一种提高掩膜电解加工精度的弧形喷射阴极移动装置，其特征在于，所述的弧形阴极喷嘴结构(1)侧面的弧形结构的曲率圆直径与阴极宽度一致。
4.根据权利要求1所述的一种提高掩膜电解加工精度的弧形喷射阴极移动装置，其特征在于，所述的阳极工件(2)为金属板状结构。
5.一种基于权利要求1-4任一所述的装置实现掩膜电解加工的弧形喷射阴极移动电解方法，其特征在于，该方法具体包括以下加工步骤：
(一)金属基板预处理：
采用不同粒度的砂纸对阳极工件(2)进行研磨抛光处理；超声清洗后烘干水分，冷却至室温待用；
(二)阳极基板图形化：
在经过预处理的阳极工件(2)表面涂覆光刻胶膜，然后进行曝光、显影工艺操作，实现阳极金属板图形化并形成掩膜图案；
(三)弧形喷射阴极移动掩膜电解加工：
进行电解加工实验，将具有图形化掩膜的阳极工件(2)与电解电源(7)的正极相连，作为电解加工过程中的阳极，并将其固定于电解槽(4)底部；弧形阴极喷嘴结构(1)与电解电源(7)的负极相连，作为电解加工的阴极；
将电解液(5)注入到电解槽(4)中，启动电机(31)带动传动机构(33)实现阴极的往复运动；电解液(5)从弧形阴极喷嘴结构(1)喷射到阳极工件(2)表面，从电解槽(4)的出液口(41)流出，通过泵送方式不断循环更新；
开启电解电源(7)，进行掩膜电解加工，在加工过程中，阳极工件(2)未覆盖掩膜的区域接触电解液(5)发生电解刻蚀反应；电解加工完成后取出阳极工件(2)进行去胶处理，获得阳极工件上尺寸均匀的金属微结构。
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