一種微半環(huán)凹模陣列化學(xué)-機(jī)械分級(jí)復(fù)合制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超精密加工領(lǐng)域，尤其是一種微半環(huán)凹模陣列化學(xué)-機(jī)械分級(jí)復(fù)合制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半球諧振陀螺是一種新型慣性傳感器，與機(jī)械陀螺相比具有諸多優(yōu)點(diǎn)。宏觀尺度的半球諧振陀螺精度已達(dá)到慣性級(jí)別，開(kāi)始應(yīng)用于航空、兵器和空間慣導(dǎo)系統(tǒng)，但由于尺度大導(dǎo)致體積大、質(zhì)量重、功耗高，且高度依賴于超精密加工技術(shù)，在很大程度上限制了其應(yīng)用。MEMS陀螺具有尺寸小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)有的MEMS陀螺無(wú)法達(dá)到慣性級(jí)精度，不能應(yīng)用在精度要求高的場(chǎng)合，例如在GPS盲區(qū)為飛行器提供短程導(dǎo)航。MEMS陀螺精度不高的主要原因在于:現(xiàn)有的MEMS元件加工方法，如化學(xué)腐蝕、刻蝕、光刻轉(zhuǎn)印等，絕大部分是2D或2.5D的結(jié)構(gòu)，這些方法加工的元器件質(zhì)量和材料分布不均，導(dǎo)致陀螺感應(yīng)頻率與驅(qū)動(dòng)之間匹配性差，使得MEMS陀螺的精度受到極大限制。為了提升MEMS陀螺的精度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始致力于研究3D結(jié)構(gòu)MEMS半球諧振陀螺，這種陀螺最關(guān)鍵的部件是沉積在晶體材料微半環(huán)凹模上的高精度微小半球薄膜殼，研究證明基于化學(xué)氣相沉積(chemicalvapor deposit1n，CVD)的多晶金剛石薄膜諧振器品質(zhì)因數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同樣結(jié)構(gòu)的娃材料諧振器。然而，CVD微半球殼的精度依賴其“母體”微半環(huán)凹模的形狀精度、表面粗糙度和表面質(zhì)量。目前，單晶硅材料微半環(huán)凹模的加工方法有:從傳統(tǒng)MEMS的2D和2.5D結(jié)構(gòu)制造方法擴(kuò)展而來(lái)的三維結(jié)構(gòu)加工方法、微細(xì)EDM加工、微銑削加工、微細(xì)超聲分層加工。至今，這些已見(jiàn)報(bào)道的加工方法還無(wú)法滿足單晶硅硬脆微半環(huán)凹模加工精度和加工效率的要求，主要因?yàn)?⑴傳統(tǒng)的MEMS微加工一濕法化學(xué)刻蝕和干法等離子刻蝕等方法，在從2D結(jié)構(gòu)向3D結(jié)構(gòu)延伸的過(guò)程中，都難以擺脫晶體方向和掩膜材料的選擇性問(wèn)題，無(wú)法加工出具有高度對(duì)稱性和材料一致均勻的微半環(huán)凹模，此種方法加工微半環(huán)凹模精度差，且效率低。(2)微細(xì)電火花加工(yEDM)微半環(huán)凹模，由于放電空間小，要求加工設(shè)備的精度極高，難以制造出形狀精度極高的電極，且工具電極在加工過(guò)程中磨損很快，加工出來(lái)的微半環(huán)凹模表面質(zhì)量差，形狀精度不高。(3)微銑削加工微半環(huán)凹模，在材料脆性去除時(shí)，由于銑削加工自身的弱點(diǎn)，導(dǎo)致微半環(huán)凹模頂部或者底部經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)崩裂、表面及亞表面損傷，難以滿足加工要求，在采用塑性延展銑削加工時(shí)，加工效率和成品率極低。(4)利用超聲和微細(xì)工具分層加工微半環(huán)凹模，由于微細(xì)工具的磨損難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制，因而分層進(jìn)給路徑難以合理規(guī)劃，導(dǎo)致微半環(huán)凹模形狀精度較差，且加工效率低。(5)其他的電加工微結(jié)構(gòu)的方法，如電解加工，受到單晶硅材料導(dǎo)電性的限制，難以用于微半環(huán)凹模的加工。綜上，由于無(wú)法加工出高質(zhì)量的諧振陀螺單晶硅微半環(huán)凹模，至今尚未見(jiàn)報(bào)道研制出慣性級(jí)別精度的MEMS半球諧振陀螺。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服已有諧振陀螺單晶硅微半環(huán)凹模無(wú)法實(shí)現(xiàn)高形狀精度、低表面粗糙度、高表面質(zhì)量、高效率加工的不足，本發(fā)明提供了一種高形狀精度、低表面粗糙度、高表面質(zhì)量、高效率的微半環(huán)凹模陣列化學(xué)-機(jī)械分級(jí)復(fù)合制造方法。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
[0005]—種微半環(huán)凹模陣列化學(xué)-機(jī)械分級(jí)復(fù)合制造方法，所述制造方法包括如下步驟:
[0006]1)制作精密球陣列研拋模
[0007]所述研拋模包括工具連桿、定位基板和精密球體，工具連桿的上端與微細(xì)超聲發(fā)生器相連接，所述工具連桿的下端與定位基板連接，在定位基板上加工出陣列孔徑，孔徑大小小于精密球體直徑，在孔徑和精密球體之間充滿粘結(jié)劑，球體的一部分嵌入孔內(nèi)；
[0008]2)第一級(jí)研拋
[0009]采用精密球陣列研拋模，通過(guò)化學(xué)-機(jī)械加工方法實(shí)現(xiàn)微凹模陣列的形狀構(gòu)型；
[0010]在待加工的工件上涂覆Au/Cr膜，膜厚度在30nm300nm之間，用來(lái)作為晶體材料表面保護(hù)層；在研拋液中加入HNA溶液；
[0011]通過(guò)精密球陣列研拋模的微細(xì)超聲振動(dòng)，激發(fā)研拋模和微凹模襯底工件之間的研拋液中的微細(xì)磨粒高速?zèng)_擊微凹模襯底工件，并伴隨超聲空化、研拋模對(duì)工件的刮擦、錘擊復(fù)合作用，發(fā)生機(jī)械性材料去除，在可控化學(xué)腐蝕和微細(xì)超聲仿形研拋共同作用下，對(duì)襯底工件進(jìn)行材料去除，此級(jí)材料去除屬于脆性去除和化學(xué)腐蝕材料去除；
[0012]3)第二級(jí)研拋
[0013]采用所述精密球陣列研拋模進(jìn)行第二次研拋，通過(guò)調(diào)整超聲振動(dòng)的參數(shù)和Z向進(jìn)給參數(shù)，使得工件的材料去除形式轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧纤苄匀コ?，降低研拋液中HNA溶液的濃度，減緩HNA溶液對(duì)功能材料的化學(xué)腐蝕速度；第二次研拋材料去除形式是微細(xì)超聲振動(dòng)下的材料塑性去除和HNA溶液對(duì)襯底材料的緩慢化學(xué)腐蝕作用，可以對(duì)微凹模進(jìn)行修形和表面質(zhì)量提升。
[0014]進(jìn)一步，所述步驟1)中，在定位基板上粘結(jié)了限位擋圈，當(dāng)限位擋圈碰觸工件平面，z軸向下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)停止。
[0015]再進(jìn)一步，所述步驟1)中，所述超精密高一致性研拋模的裝配方法如下:將陣列孔內(nèi)均勻涂抹防水性粘結(jié)劑，將研拋模倒置，采用精密壓板垂直下壓精密球體，由于精密球體和孔徑之間充滿防水性粘結(jié)劑，垂直壓力調(diào)節(jié)防水性粘結(jié)劑膜的厚度，進(jìn)而達(dá)到球體上端最高點(diǎn)位于同一平面。
[0016]所述步驟1)中，所述超精密高一致性研拋模的裝配方法如下:將陣列孔內(nèi)均勻涂抹防水性粘結(jié)劑，將研拋模倒置，采用精密壓板垂直下壓精密球體，由于精密球體和孔徑之間充滿防水性粘結(jié)劑，垂直壓力調(diào)節(jié)防水性粘結(jié)劑膜的厚度，進(jìn)而達(dá)到球體上端最高點(diǎn)位于同一平面；
[0017]對(duì)于限位擋圈裝配方式，采用帶有陣列孔的精密壓板垂直下壓限位擋圈，使得限位擋圈上圓環(huán)截面在一個(gè)平面內(nèi)，完成限位擋圈的裝配。
[0018]根據(jù)材料去除情況以及后續(xù)拋光的預(yù)留量調(diào)整限位擋圈的高度。
[0019]所述精密球體采用傳統(tǒng)的塑性球體，材料為合金鋼和特種剛；
[0020]或者是:所述精密球體采用陶瓷球體。
[0021]本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為:在功能材料(單晶硅、藍(lán)寶石、紅寶石等)表面鍍Au/(；膜，膜厚度在30nm300nm之間，用來(lái)作為晶體材料表面保護(hù)層(HNA溶液)，防止HNA溶液腐蝕晶體襯底材料表面，HNA溶液指的是HN03、HF、CH3C00H的混合液。在研拋液中，加入HNA溶液，HNA溶液對(duì)沒(méi)有涂覆保護(hù)層的部分或者保護(hù)層被機(jī)械作用打開(kāi)的部分發(fā)生腐蝕作用，腐蝕速度可以通過(guò)改變研拋液中的HNA溶液濃度進(jìn)行調(diào)控。另外，通過(guò)陣列研拋模的微細(xì)超聲振動(dòng)，激發(fā)研拋模和微凹模襯底工件(單晶硅、藍(lán)寶石、紅寶石等功能晶體)之間的研拋液中的微細(xì)磨粒高速?zèng)_擊微凹模襯底工件，并伴隨超聲空化、研拋模對(duì)工件的刮擦、錘擊等復(fù)合作用，發(fā)生機(jī)械性材料去除。這樣在可控化學(xué)腐蝕和微細(xì)超聲仿形研拋共同作用下，對(duì)襯底工件進(jìn)行材料去除，材料的機(jī)械去除原理如圖1所示，化學(xué)-機(jī)械共同作用效果如圖2所示。
[0022]采用兩級(jí)分級(jí)研拋，第一級(jí)研拋采用自制的精密球陣列研拋模，通過(guò)所述的化學(xué)-機(jī)械加工方法實(shí)現(xiàn)微凹模陣列的形狀構(gòu)型，通過(guò)第一次研拋，微凹模陣列的位置和形狀精度基本可以滿足要求，第一次研拋主要實(shí)現(xiàn)材料的脆性去除和較快速的化學(xué)腐蝕。采用同樣的自制精密球陣列研拋模進(jìn)行第二次研拋，第二次研拋需要對(duì)微凹模陣列形狀精度進(jìn)行修正和凹模表面粗糙度的降低，第二次研拋不同于第一次研拋主要表現(xiàn)在:通過(guò)調(diào)整超聲振動(dòng)的參數(shù)和Z向進(jìn)給參數(shù)，使得工件的材料去除形式轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧纤苄匀コ?，降低研拋液中HNA溶液的濃度，減緩HNA溶液對(duì)功能材料的化學(xué)腐蝕速度。第二次研拋材料去除形式是微細(xì)超聲振動(dòng)下的材料塑性去除和HNA溶液對(duì)襯底材料的緩慢化學(xué)腐蝕作用，因而可以對(duì)微凹模進(jìn)行修形和表面質(zhì)量提升。
[0023]上述陣列式分級(jí)研拋過(guò)程可在同一設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，不同點(diǎn)只是需要更換研拋模和研拋液，可大幅提升微半環(huán)凹模的加工效率，保證微凹模圓周半徑的一致性和不同凹模之間幾何形狀的一致性，通過(guò)第二級(jí)材料塑性去除和HNA溶液對(duì)工件襯底材料化學(xué)去除作用的協(xié)同機(jī)械-化學(xué)復(fù)合研拋方式，可以提高微凹模陣列的形狀精度和表面質(zhì)量。
[0024]本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:高形狀精度、低表面粗糙度、高表面質(zhì)量、高效率。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是微凹模陣列式研拋原理圖。
[0026]圖2是帶有保護(hù)層的工件化學(xué)-機(jī)械復(fù)合加工后圖。
[0027]圖3是研拋模結(jié)構(gòu)圖。
[0028]圖4是研拋模裝配方法示意圖。
[0029]圖5是微半環(huán)凹模陣列微細(xì)超聲分級(jí)研拋裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0030]圖6是微半環(huán)凹模陣列微細(xì)超聲分級(jí)研拋裝置的軸等側(cè)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0032]參照?qǐng)D1?圖6，一種微半環(huán)凹模陣列化學(xué)-機(jī)械分級(jí)復(fù)合制造方法，所述制造方法包括如下步驟:
[0033]1)制作精密球陣列研拋模
[0034]所述研拋模包括工具連桿71、定位基板72、精密球體75，工具連桿71的上端與微細(xì)超聲發(fā)生器相連接，所述工具連桿71的下端與定位基板72連接，在定位基板72上加工出陣列孔徑，孔徑大小小于精密球體直徑，在孔徑和精密球體75之間充滿粘結(jié)劑，球體的一部分嵌入孔內(nèi)；
[0035]2)第一級(jí)研拋
[0036]采用精密球陣列研拋模，通過(guò)化學(xué)-機(jī)械加工方法實(shí)現(xiàn)微凹模陣列的形狀構(gòu)型；
[0037]在待加工的工件上涂覆Au/(；膜，膜厚度在30nm300nm之間，用來(lái)作為晶體材料表面保護(hù)層；在研拋液中加入HNA溶液；
[0038]通過(guò)精密球陣列研拋模的微細(xì)超聲振動(dòng)，激發(fā)研拋模和微凹模襯底工件之間的研拋液中的微細(xì)磨粒高速?zèng)_擊微凹模襯底工件，并伴隨超聲空化、研拋模對(duì)工件的刮擦、錘擊復(fù)合作用，發(fā)生機(jī)械性材料去除，在可控化學(xué)腐蝕和微細(xì)超聲仿形研拋共同作用下，對(duì)襯底工件進(jìn)行材料去除，此級(jí)材料去除屬于脆性去除；
[0039]3)第二級(jí)研拋
[0040]采用所述精密球陣列研拋模進(jìn)行第二次研拋，通過(guò)調(diào)整超聲振動(dòng)的參數(shù)和Z向進(jìn)給參數(shù)，使得工件的材料去除形式轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧纤苄匀コ?，降低研拋液中HNA溶液的濃度，減緩HNA溶液對(duì)功能材料的化學(xué)腐蝕速度；第二次研拋材