CN115922258B - 一种太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体铸、铣一体化成型制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体铸、铣一体化成型制造方法，包括以下步骤：在金属平板上喷射电沉积形成下基体保护层；在下基体保护层上利用管电极电解铣削出槽体；在槽体内壁喷射电沉积腔体金层；在槽体内部喷射电沉积形成金属牺牲芯模；将槽体的上表面与金属牺牲芯模的上表面电解铣削为平整的一个平面；在槽体和金属牺牲芯模的上表面上依次喷射腔体金层和上基体保护层；刻蚀掉所述金属牺牲芯模；切割修整得到太赫兹金属镀层空芯波导腔体。本发明的太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体铸、铣一体化成型制造方法，在夹装好的金属平板一次定位连续一体化操作，制作精度高，效率高，所得太赫兹金属镀层空芯波导腔体内腔表面质量高。

Description

一种太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体铸、铣一体化成型制造方法

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域，尤其涉及一种太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体铸、铣一体化成型制造方法。

背景技术

太赫兹波一般指频率在0.1THz到10THz范围、波长在0.03mm到3mm范围的电磁波，是电磁波中唯一尚未完全开发利用的频谱资源。太赫兹波具有高穿透性、低能性、高信噪比性、相干性和宽带性等特点，在高速无线通信、安全检查、无损检测、电子对抗和雷达成像等领域有着巨大的应用潜力。

太赫兹波在空气中传输时，空气中的水、氧气等会造成很大的传输损耗，为了减少传输过程中的损耗，研究人员设计了不同的波导传输器件，目前主要的有太赫兹金属平板波导、太赫兹金属线波导、太赫兹光子晶体波导以及太赫兹空芯波导四种类型。其中太赫兹空芯矩形波导是典型的大长径比微型器件，同时波导腔对尺寸精度、腔体内部表面粗糙度要求很高，例如工作频率1THz的金属矩形波导腔体端面尺寸为127um×254um、表面粗糙度Ra≤0.4um、圆角半径R≤20um，工作频率为1.7THz的金属矩形波导腔体端面尺寸为83um×165um、圆角半径R≤20um，因此太赫兹波导管的制造难度很大。

针对于太赫兹金属矩形波导的制造，国内外研究人员已经进行了几十年的大量研究。在国内，徐翱等通过微细铣削的方法加工出用于0.22THz的折叠波导，矩形波导截面尺寸长为780um，宽160um，直波导段长300um，电子注通道半径为80um波导腔体表面粗糙度达到 0.3um。陈学斌等通过微细铣削的方法加工出频率为0.5THz的太赫兹金属矩形波导。该波导腔体截面尺寸为559×279um，由两个腔体拼接组成，每个腔体尺寸为279×279um，腔体拐角处圆角半径小于50um。这两种制造方法，仅仅对矩形波导的制造进行了简单的探索，并未形成成熟的工艺方案，腔体内部高精密电镀难题仍然无法解决。在国外，美国的AdamRowen 等人提出通过多层电化学沉积制备内部尺寸几十微米的矩形金属波导的方法。通过种子层金属沉积、光刻、电化学沉积三种工艺步骤的循环进行，可以实现多层或者三维矩形波导的加工，这种方法还适用于基于矩形金属波导的其他一些部件包括天线，耦合器，弯曲隧道等微型机电系统的加工，然而该方法各个工艺步骤中加工精度的不一致，使得波导制造的整体精度下降，存在层间结合不紧密的缺陷，影响太赫兹信号的传输性能。美国W.J.Otter等人将3D打印技术应用到太赫兹波导的加工中，采用RECILS 3D打印技术加工出矩形波导腔体，但是该波导腔体是非金属的，并且需要通过电镀金属层等复杂工艺实现其信号传输性能，这说明现阶段3D打印技术尚无法实现金属材料直接打印，另外打印精度也无法达到高工作频率太赫兹金属空芯矩形波导的制造精度要求。综上所述，现有技术中太赫兹金属矩形波导在尺寸精度、表面质量、制造工艺还有待更深入的研究，此外，目前制造的矩形波导工作频率相对较低，信号传输损耗较高，无法实现高性能信号传输对于腔体内部高精密电镀层的要求。

发明内容

本发明的目的为：提供一种加工精度高、表面质量高的太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体铸、铣一体化成型制造方法。

本发明的技术方案为：

一种太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体铸、铣一体化成型制造方法，包括以下步骤：

步骤一，在金属平板上利用喷射电沉积技术喷射电沉积形成下基体保护层；

步骤二，利用管电极电解铣削技术在所述下基体保护层上铣削出槽体；

步骤三，在所述槽体的内壁利用喷射电沉积技术形成腔体金层；

步骤四，利用喷射电沉积技术将所述槽体的内部填充形成金属牺牲芯模；

步骤五，利用管电极电解铣削技术将所述金属牺牲芯模的上表面与所述槽体的上表面铣削为平整的一个平面；

步骤六，在所述槽体和所述金属牺牲芯模的上表面喷射电沉积一层腔体金层；

步骤七，在步骤六形成的所述腔体金层的上表面利用喷射电沉积技术形成上基体保护层；

步骤八，利用刻蚀溶液刻蚀掉所述金属牺牲芯模；

步骤九，切割修整得到太赫兹金属镀层空芯波导腔体。

优选地，所述下基体保护层的厚度为数百微米至数毫米。

优选地，所述腔体金层的厚度为数十纳米至数十微米。

优选地，所述上基体保护层的厚度为数百微米至数毫米。

优选地，所述槽体为多个。

优选地，所述槽体为截面呈矩形的槽体。

优选地，所述上基体保护层和所述下基体保护层的材质为铜、镍、铜合金或镍合金。

优选地，所述金属牺牲芯模的材质为铝或锌。

本发明的有益效果为：

实现了太赫兹金属矩形波导腔体的一体化成型制造。相比以往太赫兹金属矩形波导腔体的加工方法中需要两三台设备经过几次装夹才能完成牺牲芯模表面高质量的加工及波导腔体的制造，本发明的方法将喷射电沉积技术和管电极电解铣削技术结合在一起，通过一次装夹工件，在工件上分步电沉积、分步电解铣削加工出太赫兹矩形波导腔体，可显著减少工件装夹次数，减少中间过程的操作步骤，提高加工精度，实现太赫兹矩形波导腔体的一体化成型制造。

2、实现太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体的高精密制造。本发明利用管电极电解铣削技术铣削出矩形槽，与以往采用微细电解线切割技术加工牺牲芯模四个表面相比，减少了加工步骤和重定位问题，提高了加工稳定性，改善了表面粗糙度，可加工出较高的质量表面，通过喷射电沉积技术可复制获得与管电极电解铣削表面一样高质量的波导腔体内表面，实现了太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体的高精密制造。

3、实现了太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体高效率的整体制造。本发明将电沉积技术与管电极电极铣削技术结合在一起，省去牺牲芯模的制造，可在在一台设备上通过一次装夹即可完成太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体的制造，与以往采用微细电解线切割纯铝芯模相比，不存在加工杂散腐蚀和加工变形等问题，可显著减少加工步骤、减少加工时间。此外，管电极电解铣削加工技术可实现材料的高去除率，降低刀具和能源的损耗，因此，本发明的方法实现了太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体高效率的整体制造。

4、实现了太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体的柔性加工。本发明的方法结合电沉积技术与管电极电极铣削技术，可在电沉积金属层上铣削出任意形状的二维图形，进而加工出相应形状的太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体，如弯波导腔体；此外，管电极电极铣削技术适应性广，可加工不同材料的金属，加工范围在数微米与数毫米范围内，通过电沉积技术可获得不同长宽比的端面尺寸，为波导设计提供更多的灵活性，最终实现了太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体的柔性加工。

附图说明

图1为在金属平板上喷射电沉积形成下基体保护层的制造过程示意图。

图2为金属平板上形成下基体保护层后的截面结构示意图。

图3为用管电极在下基体保护层上电解铣削槽体的工作过程示意图。

图4为形成了槽体的下基体保护层的截面结构示意图。

图5为在槽体的内壁喷射电沉积形成腔体金层的工作过程示意图。

图6为金属平板上具有腔体金层的槽体的截面结构示意图。

图7为槽体的内部填充形成金属牺牲芯模后的工件截面结构示意图。

图8为金属牺牲芯模的上表面与槽体的上表面铣削为平整的一个平面后的工件截面结构示意图。

图9为槽体和金属牺牲芯模的上表面喷射电沉积一层腔体金层后的工件截面结构示意图。

图10为喷射电沉积上基体保护层后的工件截面结构示意图。

图11为刻蚀掉金属牺牲芯模后的工件截面结构示意图。

图12为切割修整得到的单个太赫兹金属镀层空芯波导腔体。

图中：

1、金属平板；3、喷射电沉积电极；4、下基体保护层；6、管电极；7、槽体；8、带槽体的下基体保护层；9、腔体金层；10、金属牺牲芯模；11、铣削后的工件上表面；12、上基体保护层；13、刻蚀掉金属牺牲芯模后的工件；14、单个太赫兹金属镀层空芯波导腔体。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做详细说明。

实施例1

制造一种太赫兹金属镀层空芯波导腔体，方法如下：

步骤一，在金属平板上制造下基体保护层

图1为在金属平板上喷射电沉积形成下基体保护层的制造过程示意图，如图1所示，利用喷射沉积技术使用喷射电沉积电极3在夹装好的金属平板1的上表面依次匀速移动形成下基体保护层4，图1中的喷射电沉积轨迹沿金属平板1的表面顺次排布。图2为金属平板上形成下基体保护层后的截面结构示意图。

步骤二，在下基体保护层上制出槽体

利用管电极电解铣削技术使用管电极6在所述下基体保护层4上铣削出截面为矩形的槽体7，形成了带槽体的下基体保护层8。图3为用管电极在下基体保护层上电解铣削槽体的工作过程示意图。图4为形成了槽体的下基体保护层的截面结构示意图。由于管电极电解铣削技术可以很精准地控制铣削的尺寸，因此所制出的槽体7表面平整，光滑，表面质量好，为腔体金属的沉积提供了优良的底层。槽体7可以是一个，也可以同时电解铣削出多个槽体7，同时电解铣削出的多个槽体7时可用于同时制作多个太赫兹金属镀层空芯波导腔体，提高制作效率。

步骤三，电沉积槽体中的腔体金层

图5为在槽体的内壁喷射电沉积形成腔体金层的工作过程示意图，如图5所示，在所述槽体7的内壁利用喷射电沉积技术形成腔体金层9。喷射电沉积也可以精准地控制所形成的腔体金层9的厚度，且由于腔体金层9是喷射电沉积在具有优良表面的槽体7的表层，因此，所得到的槽体7内壁上的腔体金层9的表面光滑，粗糙度低，从而可以保证太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体具有高质量的内表面，图6为金属平板上具有腔体金层的槽体的截面结构示意图。

步骤四，电沉积金属牺牲芯模

利用喷射电沉积技术将所述槽体7的内部填充金属形成金属牺牲芯模10，图7为槽体的内部填充形成金属牺牲芯模后的工件截面结构示意图。如图7所示，槽体7的填充满金属后所形成的牺牲芯模10的上表面一般与槽体7的边沿不在同一平面上，工件整体的上表面不平整。所述金属牺牲芯模10的材质选用较为活泼的金属，如铝或锌等。

步骤五，利用管电极电解铣削技术将所述金属牺牲芯模10的上表面与所述槽体7的上表面铣削为平整的一个平面。图8为金属牺牲芯模的上表面与槽体的上表面铣削为平整的一个平面后的工件截面结构示意图，如图8所示，经铣削后金属牺牲芯模10、槽体7的外沿、槽体7内壁上的腔体金层9都在一个平面上，如图8所示的铣削后的工件上表面11为一个平面。由此铣削形成的平面更为平整、光滑，粗糙度低，从而为后序在铣削后的工件上表面11形成腔体金层提供了高质量的底层。

步骤六，在所述槽体7和所述金属牺牲芯模10的上表面喷射电沉积一层腔体金层9，图9为槽体和金属牺牲芯模的上表面喷射电沉积一层腔体金层后的工件截面结构示意图。由于在步骤五中利用管电极电解铣削技术得到了一个铣削后的工件上表面11，使得步骤六中在该铣削后的工件上表面11上喷射电沉积形成的腔体金层9更加平整、光滑，粗糙度低，为获得高质量的空芯波导腔体奠定了基础。

步骤七，在步骤六形成的所述腔体金层9的上表面利用喷射电沉积技术形成上基体保护层12，图10为喷射电沉积上基体保护层后的工件截面结构示意图。上基体保护层12和下基体保护层4包覆在腔体金层9的外面，对腔体金层9起保护作用，另外，也为最终制备成的太赫兹金属底层空芯波导体的装配提供了可以修整的外壳，以适配不同的安装场景。

步骤八，利用刻蚀溶液刻蚀掉所述金属牺牲芯模10；图11为刻蚀掉金属牺牲芯模后的截面结构示意图。当金属牺牲芯模10的材质为铝时，可以使用强酸或强碱浸泡以溶解刻蚀掉所述金属牺牲芯模10；当金属牺牲芯模10的材质为锌时，可以使用强酸溶解刻蚀掉所述金属牺牲芯模10。刻蚀掉所述金属牺牲芯模10便得到了由腔体金层9合围而成的具有太赫兹金属镀层空芯波导腔体的工件。

步骤九，切割修整得到太赫兹金属镀层空芯波导腔体。将金属平板1从步骤八所制得的工件中分离出去，如果是同时制作的多个太赫兹金属镀层空芯波导腔体，还需要切割为单个太赫兹金属镀层空芯波导腔体。图12为切割修整得到的单个太赫兹金属镀层空芯波导腔体。

使用本发明的方法制备太赫兹金属镀层空芯波导腔体，由于用作空芯波导腔体成形的槽体7是通过管电极电解铣削技术在下基体保护层4上铣削而成的，因此，可以不受其他条件的约束，通过在下基体保护层4上铣削从而实现二维平面内任意形状的槽体的制作，由此可以为成品的太赫兹金属镀层空芯波导腔体的形状提供了更多的选择，如弯波导腔体。管电极电解铣削技术的适应性广，可加工不同材料的金属，加工范围在数微米与数毫米范围内，通过电沉积技术可获得不同长宽比的端面尺寸，因此，本发明的方法为波导腔体的设计提供更多的灵活性，最终实现了太赫兹矩形波导腔体柔性加工。

其次，在本发明的制备太赫兹金属镀层空芯波导腔体的方法中，实现了太赫兹波导腔体的一体化成型制作，只需要在步骤一中对金属平板1实施一次夹装定位，即可按照顺序在金属平板1上实施下基体保护层的制作、槽体的制作、腔体金层的制造、金属牺牲芯模的填充和铣削、在金属牺牲芯模10的上表面喷射电沉积腔体金层9和上基体保护层12等工序，这些影响最终成品太赫兹金属镀层空芯波导腔体尺寸精度的步骤中均不需要再次的夹装和定位，而是进行一体化操作，避免了各工序由于多次夹装和定位等操作步骤造成的公差累积，大大提高了成品太赫兹金属镀层空芯波导腔体的加工精度和质量，实现了太赫兹金属镀层空芯波导腔体的一体化成型制造。尤其是在制作太赫兹矩形波导腔体时，本发明中利用管电极电解铣削出的矩形槽，相比现有技术中采用微细电解线切割技术加工牺牲芯模的四个表面的方法，由于减少了加工步骤和取消了重复定位而提高了加工稳定性，有效改善了表面粗糙度，获得的太赫兹矩形波导腔体具有高质量的内腔表面，实现了太赫兹矩形波导腔体的高精密制造。

再者，在本发明的制备太赫兹金属镀层空芯波导腔体的方法中，将喷射电沉积技术与管电极铣削技术结合在一起，省去牺牲芯模的单独制造，与以往采用微细电解线切割纯铝芯模相比，不存在芯模加工杂散腐蚀和加工变形等问题，且显著减少了加工步骤和加工时间，制造效率高。

优选地，所述下基体保护层4的厚度为数百微米至数毫米。

优选地，所述腔体金层9的厚度为数十纳米至数十微米。

优选地，所述上基体保护层12的厚度为数百微米至数毫米。

优选地，所述槽体7为截面呈矩形的槽体。

优选地，所述上基体保护层12和所述下基体保护层4的材质为铜、镍、铜合金或镍合金。铜、镍、铜合金和镍合金的性能稳定，不易受到酸和碱的腐蚀。因此，在步骤八中利用刻蚀溶液刻蚀掉所述金属牺牲芯模10时，对于刻蚀溶液的要求低，同时所述上基体保护层12和所述下基体保护层4也不会受到腐蚀。

本发明的太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体铸、铣一体化成型制造方法，在夹装好的金属平板上喷射电沉积下基体保护层，然后用管电极电解铣削技术在下基体保护层上铣削出槽体，再在槽体中依次喷射电沉积腔体金层和充填金属牺牲芯模，再在铣削平整的金属牺牲芯模及槽体上表面依次喷射电沉积腔体金层和上基体保护层，从而完成了一次夹装定位、连续操作的一体化成型制造，避免了多次夹装定位造成的尺寸公差的累积，不仅制作精度高，而且所得到的太赫兹金属镀层空芯波导腔体内腔表面质量高，实现了多种形状和尺寸的太赫兹金属镀层空芯波导腔体的柔性加工，效率也高。

在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。例如，本发明说明书仅给出了太赫兹金属镀层矩形空芯波导腔体的制作，本领域技术人员可以知道，由于本发明中的作为空芯波导腔体成形的槽体7是通过管电极电解铣削技术在下基体保护层4上铣削而成的，因此，可以铣出各种所需形状的槽体，如截面为半圆形等。此外，以上所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。另外以上仅为本发明的部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体铸、铣一体化成型制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在金属平板（1）上利用喷射电沉积技术喷射电沉积形成下基体保护层（4）；

步骤二，利用管电极电解铣削技术在所述下基体保护层（4）上铣削出槽体（7）；

步骤三，在所述槽体（7）的内壁利用喷射电沉积技术形成腔体金层（9）；

步骤四，利用喷射电沉积技术将所述槽体（7）的内部填充形成金属牺牲芯模（10）；

步骤五，利用管电极电解铣削技术将所述金属牺牲芯模（10）的上表面与所述槽体（7）的上表面铣削为平整的一个平面；

步骤六，在所述槽体（7）和所述金属牺牲芯模（10）的上表面喷射电沉积一层腔体金层（9）；

步骤七，在步骤六形成的所述腔体金层（9）的上表面利用喷射电沉积技术形成上基体保护层（12）；

步骤八，利用刻蚀溶液刻蚀掉所述金属牺牲芯模（10）；

步骤九，切割修整得到太赫兹金属镀层空芯波导腔体。

2.如权利要求1所述的太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体铸、铣一体化成型制造方法，其特征在于，所述下基体保护层（4）的厚度为数百微米至数毫米。

3.如权利要求1所述的太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体铸、铣一体化成型制造方法，其特征在于，所述腔体金层（9）的厚度为数十纳米至数十微米。

4.如权利要求1所述的太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体铸、铣一体化成型制造方法，其特征在于，所述上基体保护层（12）的厚度为数百微米至数毫米。

5.如权利要求1所述的太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体铸、铣一体化成型制造方法，其特征在于，所述槽体（7）为多个。

6.如权利要求1所述的太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体铸、铣一体化成型制造方法，其特征在于，所述槽体（7）为截面呈矩形的槽体。

7.如权利要求1所述的太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体铸、铣一体化成型制造方法，其特征在于，所述上基体保护层（12）和所述下基体保护层（4）的材质为铜、镍、铜合金或镍合金。

8.如权利要求1至7之一所述的太赫兹金属镀层空芯矩形波导腔体铸、铣一体化成型制造方法，其特征在于，所述金属牺牲芯模（10）的材质为铝或锌。

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