[发明专利]微小金属矩形波导电化学制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微小金属矩形波导制造方法，属于微细、精密制造技术领域。

背景技术

金属矩形波导是太赫兹低频段常用的传输线，是构建太赫兹信号发生、接收和控制部件的关键单元。太赫兹频段金属波导类传输线具有较小的端面尺寸和较大的传输长度，是典型的大长径比微型器件。金属矩形波导因能有效降低吸收损耗，在传输性能方面有着显著的优越性，而受到广泛关注和重视。

太赫兹金属矩形波导的精密加工制造极具挑战性，一直是制约太赫兹应用系统研发的关键问题和瓶颈技术。太赫兹金属矩形波导腔尺寸微小、公差及表面粗糙度要求高，同时对加工圆角半径要求严格。矩形波导小尺寸端面是传统加工的难题，而较大的相对长度又使得一般的微加工技术难以逾越。近年来，国内外研究机构提出了诸多工艺来解决金属矩形波导精密制造难题，例如：微细铣削、光刻、多层金属堆叠等。但是，受加工方法限制，封闭的太赫兹矩形波导通常被剖分为半封闭的U型腔和覆盖面板。U型腔和覆盖面板分别加工成型后再组装成矩形波导器件。目前，金属矩形波导U型腔的加工一般采用微细铣削加工，已实现0.75T太赫兹信号传输用端面尺寸191µm×381µm矩形波导的加工。随着工作频率的不断提高，矩形波导端面尺寸相应减小，对应的尺寸精度已经突破传统机械加工极限。另一方面，加工应力和材料应力都引起微结构的加工变形，难以保证矩形波导上下分腔结合面极高的平面度要求，极易出现零件相互装夹、结合不紧密等问题，从而增大传输线的插损，影响整个太赫兹部件性能的实现。此外，铣削加工时机床振动、零件材料成份和均匀性、刀具磨损等因素都会影响加工精度及精度保持性。与此同时，太赫兹金属矩形波导对最小圆角半径和表面粗糙度的严格要求，使得一些加工手段不能使用，例如电火花线切割、电火花、激光加工等，都因工具固有圆角过大而不能采用。因此，现有加工技术难于满足未来太赫兹波传输对金属矩形波导的加工需求，必须发展其它加工技术。

电化学加工技术基于阳极溶解或阴极沉积原理实现了以离子形式去除或添加工件材料，由于离子的尺度为10^-1nm，因此，电化学加工技术在微细制造，以至于纳米制造领域有着很大的发展潜能。电化学加工技术按原理可分为两类，一是基于阴极沉积的增材制造技术，如精密电铸、电镀等，另一类是基于阳极溶解原理的减材制造技术，如电解加工、电解抛光等。电化学加工技术具有加工材料范围广、工具无损耗、加工效率高、工具无损耗、不存在机械切削力等优势，使其在微细制造领域有着广泛的应用前景。南京航空航天大学首先提出了微细电解线切割加工技术（专利申请号ZL200610040054.6）和运动纳米粒子辅助精密电铸技术（Z.W. Zhu, D. Zhu, N.S. Qu, Materials Letters, 62, 1283-1286 (2008).），实现了微缝结构和组织致密的电铸沉积层的加工，扩展了电化学加工技术在微细制造领域的应用范围。

本专利提出利用电化学加工技术加工内壁镀金的金属矩形波导，可实现微小尺度且具有较好表面质量的矩形波导的精密、高效率整体制造，无需将封闭的矩形波导剖分为半封闭的U型腔和覆盖面板。

发明内容

本发明的目的是提供一种微小尺度，表面质量好的金属矩形波导的精密电化学制造工艺方法。

一种微小金属矩形波导电化学制造方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、利用双微尺度线电极和纳秒脉冲电源对薄板工件进行微细电解线切割加工得到芯模；步骤2、在芯模的表面电镀一层金层，其厚度大于该波导传输的太赫兹波的趋肤效应深度，为数十纳米至数微米,芯模两端无镀层；步骤3、利用运动纳米粒子辅助精密电铸技术在电镀金层的表面电铸一层铜层，其厚度达到毫米级；步骤4、利用纳秒脉冲电源和微尺度线电极对电铸铜层进行整平修整，并控制芯模和微尺度线电极的相对运动轨迹，加工出预先要求的轮廓；步骤5、利用化学试剂选择性溶解芯模，从而得到内壁为电镀金层，外表面为电铸铜层的微小矩形金属波导。