CN116847268B - 一种太赫兹阶梯型喇叭分层电铸制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹阶梯型喇叭分层电铸制造方法，包括以下步骤：S1、喷射电沉积第一层基体阶梯型波纹喇叭；S2、喷射电沉积第二层基体阶梯型波纹喇叭；S3、重复操作S2，得到一定层数的基体阶梯型波纹喇叭；S4、在基体阶梯型波纹喇叭内部喷射电沉积阶梯型波纹喇叭金层；S5、利用管电极电解铣削技术对S4中的工件进行局部修整并与金属平板分离。本发明采用分层堆积制造，可将复杂的结构转换为分层电沉积和分层铣削，大大降低加工难度，缩短加工周期，加工精度高，此外，加工不受尺寸的限制，材料可选范围多，可加工不同尺寸的阶梯型喇叭天线，为阶梯型喇叭设计提供更多的灵活性，最终实现了太赫兹阶梯型喇叭柔性加工。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹微器件精密制造技术领域，具体为一种太赫兹阶梯型喇叭分层电铸制造方法。
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。在通信所采用的各种波段中，太赫兹波具有穿透性强、通信传输容量大、方向性好、抗干扰能力强等特性。
太赫兹喇叭天线是太赫兹通信系统中必不可少的器件之一，是太赫兹波的辐射和接收装置其尺寸是与波长相比拟的，工作频率升高，波长变短，所设计的喇叭尺寸变小，同时，高频喇叭天线要求具有更高的尺寸精度及表面粗糙度，以保证信号的低损耗传输。阶梯型喇叭天线因具有定向传输、增益高、辐射特性优良等优点而备受关注。
国内外针对于太赫兹阶梯型喇叭进行了大量的研究，低温共烧陶瓷（LowTemperature Cofired Ceramic,LTCC）技术是一种用于实现高集成度、高性能结构的电子封装技术，可以将各种天线集成到无线电封装内，基于此技术，国内外众多学者设计出不同频段的天线，但大都是低频段，并没有达到高太赫兹频段，例如国外学者Ho-Jin Song设计了300-GHz阶梯型波纹喇叭天线，国内重庆邮电大学潘武设计了一种台阶波纹太赫兹喇叭天线，工作频率范围在320-380GHz之间，又由于制造过程需要利用流延工艺将陶瓷浆料制成厚度精确且致密的生瓷带，再利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺生成金属化布线和通孔，存在加工工艺繁琐、加工周期长、加工误差大等问题。
因此，本申请提供一种太赫兹阶梯型喇叭分层电铸制造方法，用以解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种太赫兹阶梯型喇叭分层电铸制造方法，本发明采用分层堆积制造，可将复杂的结构转换为分层电沉积和分层铣削，大大降低加工难度，缩短加工周期，加工精度高，此外，加工不受尺寸的限制，材料可选范围多，可加工不同尺寸的阶梯型喇叭天线，为阶梯型喇叭设计提供更多的灵活性，最终实现了太赫兹阶梯型喇叭柔性加工，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种太赫兹阶梯型喇叭分层电铸制造方法，包括以下步骤：
S1、喷射电沉积第一层基体阶梯型波纹喇叭；
S1.1、利用喷射电沉积技术将阳极工具中的基体溶液沿喷射电沉积轨迹均匀喷射在金属平板上，得到第一层阶梯型波纹喇叭的第一层基体保护层，其厚度为数十纳米至数百纳米量级；
S1.2、利用管电极电解铣削技术在第一层基体保护层上铣削第一层矩形槽，从而得到第一层阶梯型波纹喇叭；
S1.3、利用管电极电解铣削技术整平第一层阶梯型波纹喇叭的上表面；
S2、喷射电沉积第二层基体阶梯型波纹喇叭；
S2.1、利用喷射电沉积技术在整平后的第一层阶梯型波纹喇叭上表面电沉积第二层基体保护层，得到第二层阶梯型波纹喇叭的第二层基体保护层，其厚度为数十纳米至数百纳米量级；
S2.2、利用管电极电解铣削技术在第二层基体保护层上铣削第二层矩形槽，并利用管电极电解铣削技术整平第二层阶梯型波纹喇叭的上表面，从而得到两层阶梯型波纹喇叭；
S3、重复操作S2，得到一定层数的基体阶梯型波纹喇叭；
S4、在基体阶梯型波纹喇叭内部喷射电沉积阶梯型波纹喇叭金层，其宽度为数十纳米至数百纳米量级，厚度与基体保护层保持一致；
S5、利用管电极电解铣削技术对S4中的工件进行局部修整并与金属平板分离，得到太赫兹阶梯型波纹喇叭。
作为本发明的一种优选技术方案，所述太赫兹阶梯型波纹喇叭中每一层阶梯的厚度均相等。
作为本发明的一种优选技术方案，所述基体阶梯型波纹喇叭中阶梯层数为i（i为不小于1的自然数），沿从下到上的方向，第n层矩形槽尺寸小于第n+1层矩形槽尺寸，n为不小于1且小于i的自然数，其中Ln＞L（n+1），Wn＞W（n+1），L为矩形槽宽边与阶梯外侧面之间的距离，W为矩形槽长边与阶梯外侧面之间的距离。
作为本发明的一种优选技术方案，所述基体保护层为镍层、铜层、镍合金层、铜合金层中的其中一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明示例的太赫兹阶梯型喇叭分层电铸制造方法，与以往LTCC技术制造方法相比，LTCC技术制造方法加工过程复杂，需要经过一系列工艺处理，将陶瓷片叠加烧制而成，每经过一步加工就会导致精度降低；而本发明利用喷射电沉积技术可将阶梯型喇叭分层堆叠制造，层厚精度、喷射范围可控，工艺流程少，又无需芯模加工，节约加工时间，提高加工效率，从而实现太赫兹矩形波导腔体高效整体制造。
2、本发明示例的太赫兹阶梯型喇叭分层电铸制造方法，与以往LTCC技术制造方法相比，LTCC技术制造方法需要在每一层上打孔、填孔印进而叠压、烧结等步骤，将会产生冲孔误差、叠片误差、生瓷收缩误差等；而本发明利用喷射电沉积技术将阶梯型喇叭由小口向大口分层堆叠制造，预留加工空间大，利用管电极电解铣削技术分层对中间矩形槽进行精加工，可将粗糙度控制在0.1μm以下，加工过程无需重定位，可减少中间累计误差，进而获得很高的表面质量，实现了太赫兹阶梯型喇叭的高精密制造。
3、本发明示例的太赫兹阶梯型喇叭分层电铸制造方法，本发明利用喷射电沉积加工技术和管电极铣削加工技术，可在微纳米尺度下加工，大大降低太赫兹阶梯型喇叭尺寸，突破传统加工的极限，极大的提高了太赫兹圆阶梯型喇叭的工作频段。
4、本发明示例的太赫兹阶梯型喇叭分层电铸制造方法，本发明采用分层堆积制造，可将复杂的结构转换为分层电沉积和分层铣削，大大降低加工难度，缩短加工周期，加工精度高，此外，加工不受尺寸的限制，材料可选范围多，可加工不同尺寸的阶梯型喇叭天线，为阶梯型喇叭设计提供更多的灵活性，最终实现了太赫兹阶梯型喇叭柔性加工。
附图说明
图1为本发明中太赫兹阶梯型波纹喇叭第一层基体保护层喷射电沉积制造过程示意图；
图2为本发明第一层基体保护层截面结构示意图；
图3为本发明第一层基体保护层中矩形槽三维结构示意图；
图4为本发明第二层基体保护层长度方向截面结构示意图；
图5为本发明第二层基体保护层宽度方向截面结构示意图；
图6为本发明基体保护层矩形槽长度方向截面结构示意图；
图7为本发明基体保护层矩形槽宽度方向截面结构示意图；
图8为本发明第二层基体保护层矩形槽三维结构示意图；
图9为本发明基体阶梯型波纹喇叭截面结构示意图；
图10为本发明基体阶梯型波纹喇叭三维结构示意图；
图11为本发明带金层的阶梯型波纹喇叭截面结构示意图；
图12为本发明带金层的阶梯型波纹喇叭三维结构示意图；
图13为太赫兹阶梯型波纹喇叭三维示意图。
图中：1金属平板、2基体溶液、3阳极工具、4第一层基体保护层、5喷射电沉积轨迹、6第一层矩形槽、7第二层基体保护层、8第二层矩形槽、9基体阶梯型波纹喇叭、10阶梯型波纹喇叭金层、11太赫兹阶梯型波纹喇叭。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
请参阅图1-13，本发明提供一种技术方案：一种太赫兹阶梯型喇叭分层电铸制造方法，包括以下步骤：
S1、喷射电沉积第一层基体阶梯型波纹喇叭，如图1所示；
S1.1、利用喷射电沉积技术将阳极工具3中的基体溶液2沿喷射电沉积轨迹5均匀喷射在金属平板1上，得到第一层阶梯型波纹喇叭的第一层基体保护层4，其厚度为数十纳米至数百纳米量级，如图2所示；
S1.2、利用管电极电解铣削技术在第一层基体保护层4上铣削第一层矩形槽6，从而得到第一层阶梯型波纹喇叭，如图3所示；
S1.3、利用管电极电解铣削技术整平第一层阶梯型波纹喇叭的上表面；
S2、喷射电沉积第二层基体阶梯型波纹喇叭；
S2.1、利用喷射电沉积技术在整平后的第一层阶梯型波纹喇叭上表面电沉积第二层基体保护层7，得到第二层阶梯型波纹喇叭的第二层基体保护层7，其厚度为数十纳米至数百纳米量级；
S2.2、利用管电极电解铣削技术在第二层基体保护层7上铣削第二层矩形槽8，并利用管电极电解铣削技术整平第二层阶梯型波纹喇叭的上表面，从而得到两层阶梯型波纹喇叭，如图4-8所示；
S3、重复操作S2，得到一定层数的基体阶梯型波纹喇叭9，如图9-10所示；
S4、在基体阶梯型波纹喇叭9内部喷射电沉积阶梯型波纹喇叭金层10，其宽度为数十纳米至数百纳米量级，厚度与基体保护层保持一致，如图11和图12所示；
S5、利用管电极电解铣削技术对S4中的工件进行局部修整并与金属平板1分离，得到太赫兹阶梯型波纹喇叭11，如图13所示。
进一步的，太赫兹阶梯型波纹喇叭11中每一层阶梯的厚度均相等。
进一步的，所述基体阶梯型波纹喇叭9中阶梯层数为i（i为不小于1的自然数），沿从下到上的方向，第n层矩形槽尺寸小于第n+1层矩形槽尺寸，n为不小于1且小于i的自然数，其中Ln＞L（n+1），Wn＞W（n+1），L为矩形槽宽边与阶梯外侧面之间的距离，W为矩形槽长边与阶梯外侧面之间的距离。
进一步的，所述基体保护层为镍层、铜层、镍合金层、铜合金层中的其中一种。
与以往LTCC技术制造方法相比，LTCC技术制造方法加工过程复杂，需要经过一系列工艺处理，将陶瓷片叠加烧制而成，每经过一步加工就会导致精度降低；而本发明利用喷射电沉积技术可将阶梯型喇叭分层堆叠制造，层厚精度、喷射范围可控，工艺流程少，又无需芯模加工，节约加工时间，提高加工效率，从而实现太赫兹矩形波导腔体高效整体制造。
与以往LTCC技术制造方法相比，LTCC技术制造方法需要在每一层上打孔、填孔印进而叠压、烧结等步骤，将会产生冲孔误差、叠片误差、生瓷收缩误差等；而本发明利用喷射电沉积技术将阶梯型喇叭由小口向大口分层堆叠制造，预留加工空间大，利用管电极电解铣削技术分层对中间矩形槽进行精加工，可将粗糙度控制在0.1μm以下，加工过程无需重定位，可减少中间累计误差，进而获得很高的表面质量，实现了太赫兹阶梯型喇叭的高精密制造。
采用LTCC技术制造带腔体的结构需要保证有一定的尺寸，且腔体圆角较大，这限制了太赫兹阶梯型喇叭工作频段都在1THz以下；而本发明利用喷射电沉积加工技术和管电极铣削加工技术，可在微纳米尺度下加工，大大降低太赫兹阶梯型喇叭尺寸，突破传统加工的极限，极大的提高了太赫兹圆阶梯型喇叭的工作频段。
本发明采用分层堆积制造，可将复杂的结构转换为分层电沉积和分层铣削，大大降低加工难度，缩短加工周期，加工精度高，此外，加工不受尺寸的限制，材料可选范围多，可加工不同尺寸的阶梯型喇叭天线，为阶梯型喇叭设计提供更多的灵活性，最终实现了太赫兹阶梯型喇叭柔性加工。
本发明中未公开部分均为现有技术，其具体结构、材料及工作原理不再详述。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种太赫兹阶梯型喇叭分层电铸制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、喷射电沉积第一层基体阶梯型波纹喇叭；
S1.1、利用喷射电沉积技术将阳极工具（3）中的基体溶液（2）沿喷射电沉积轨迹（5）均匀喷射在金属平板（1）上，得到第一层阶梯型波纹喇叭的第一层基体保护层（4），其厚度为数十纳米至数百纳米量级；
S1.2、利用管电极电解铣削技术在第一层基体保护层（4）上铣削第一层矩形槽（6），从而得到第一层阶梯型波纹喇叭；
S1.3、利用管电极电解铣削技术整平第一层阶梯型波纹喇叭的上表面；
S2、喷射电沉积第二层基体阶梯型波纹喇叭；
S2.1、利用喷射电沉积技术在整平后的第一层阶梯型波纹喇叭上表面电沉积第二层基体保护层（7），得到第二层阶梯型波纹喇叭的第二层基体保护层（7），其厚度为数十纳米至数百纳米量级；
S2.2、利用管电极电解铣削技术在第二层基体保护层（7）上铣削第二层矩形槽（8），并利用管电极电解铣削技术整平第二层阶梯型波纹喇叭的上表面，从而得到两层阶梯型波纹喇叭；
S3、重复操作S2，得到一定层数的基体阶梯型波纹喇叭（9）；
S4、在基体阶梯型波纹喇叭（9）内部喷射电沉积阶梯型波纹喇叭金层（10），其宽度为数十纳米至数百纳米量级，厚度与基体保护层保持一致；
S5、利用管电极电解铣削技术对S4中的工件进行局部修整并与金属平板（1）分离，得到太赫兹阶梯型波纹喇叭（11）。
2.根据权利要求1所述的太赫兹阶梯型喇叭分层电铸制造方法，其特征在于：所述太赫兹阶梯型波纹喇叭（11）中每一层阶梯的厚度均相等。
3.根据权利要求1所述的太赫兹阶梯型喇叭分层电铸制造方法，其特征在于：所述基体阶梯型波纹喇叭（9）中阶梯层数为i，i为不小于1的自然数，沿从下到上的方向，第n层矩形槽尺寸小于第n+1层矩形槽尺寸，n为不小于1且小于i的自然数，其中Ln＞L（n+1），Wn＞W（n+1），L为矩形槽宽边与阶梯外侧面之间的距离，W为矩形槽长边与阶梯外侧面之间的距离。
4.根据权利要求1所述的太赫兹阶梯型喇叭分层电铸制造方法，其特征在于：所述基体保护层为镍层、铜层、镍合金层、铜合金层中的其中一种。
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