[发明专利]一种兆声掩膜电解加工高深宽比微结构的装置及方法

说明书

一种兆声掩膜电解加工高深宽比微结构的装置及方法，属于电解加工领域，该装置中上盖板、侧围板、下底板组成电解液腔；兆声阳极安装于上盖板，阴极板固定于下底板；刻蚀件固定于兆声阳极上，压电陶瓷粘贴于兆声阳极的内部。兆声掩膜电解加工提高微结构深刻蚀能力的工艺为：在电解液腔由进液孔泵入电解液并从出液孔流出并循环；通过陶瓷引线为压电陶瓷通入兆声波信号，压电陶瓷产生兆声振动激励阳极工件振动，向电解液中辐射兆声波；分别通过阳极导线、阴极导电螺钉为阳极工件、阴极板接入刻蚀电流，实现阳极电解加工。本发明操作简单易行，能够有效提高金属微结构的深刻蚀能力，实现金属高深宽比微结构的兆声掩膜电解加工。

技术领域

本发明涉及一种掩膜电解加工方法，特别是一种兆声波掩膜电解加工高深宽比微结构的装置及方法，属于电解加工领域。

背景技术

目前，制作金属微结构的方法主要有、LIGA技术或UV-LIGA技术、机械微加工技术、电火花加工(EDM)、激光加工、化学刻蚀、电解加工(ECM)等。其中，相较于其他加工方法，电解加工具有加工后无毛刺、不变形、无残余应力、工具无损耗和表面质量好的优点。

掩膜电解加工是光刻工艺和电解加工工艺的结合，通常先在工件表面涂覆一层具有感光性能的掩膜，并使其与基材紧密结合，经过曝光、显影，在工件表面上制备特定图案的遮蔽层，再通过电解加工去除未被保护的工件材料，最后加工出需要的图形结构。掩膜电解加工除具有电解加工的特点外，还可以一次成型地加工出大规模的群微结构，且可以保证较高的加工精度和重复精度，具有大批量、高精度、低成本的优势。

针对掩膜电解加工，人们采用诸多技术措施来改善其加工效果，如发明专利CN104551282 A公开了一种采用柔性模板提高阵列微坑电解加工定域性的系统及方法。该方法采用高速电解液正向冲击柔性模板来确保柔性模板与工件的贴合，提高了微坑阵列电解加工的定域性。但是由于采用柔性模板，柔性模板的变形将使加工精度难以保证。此外，阴阳极间间隙过小，电解液通过阴极工具群缝后对阳极工件表面压力存在差异，工件表面各区域流场不均匀，也可能造成加工精度不一致等问题。

发明专利CN 106141347 A公开了一种压力辅助式电解加工微坑阵列的系统及方法。电解液通过阴极工具的通孔流向阳极工件，电解加工时夹具进液口电解液压力恒定，同时，夹具出液口关闭，夹具工作腔内的电解液处于高压状态，高压力的电解液作用在柔性模板上，有利于柔性模板与阳极工件紧密贴合，阻止电解液渗透进入柔性模板和工件表面的贴合处，减小杂散腐蚀；而且阳极工件上方的流场稳定，有助于提高微坑阵列电解加工的精度。然而，此发明中采用的液腔形式会对气体排出有一定的困难，可能会限制凹坑的刻蚀深度，有碍深刻蚀过程的进行。

发明专利CN 106378500 A公开了一种可调楔形间隙掩膜电解加工微流道装置。通过将平行电解液流道改为变间隙流道，此方法有利于去除电解产物和热量，提高电解大深度微流道的精度。然而，此种方法仅适用于单向的微流道结构加工，对于其他图形微结构的掩膜电解加工将失去意义。

《电加工与模具》2010年第1期13-16页开展了一项激波辅助纯钛微细群孔光刻电解试验研究，利用脉冲声波作为激波源。在厚100μm纯钛薄板上进行了群孔加工,平均孔径为371μm,材料蚀除速率达到35μm/min。结合激波产生的压力扰动,促进了电解液的循环和电解产物的排出,提高了加工精度和效率。然而，激波的透过性一般，激波压力虽然在铸槽内产生了一定的效果，提高了刻蚀效率，但此方法依旧适用于浅织构或薄板刻蚀，对高深宽比微结构刻蚀能力作用有限。

受限于刻蚀材料的各向同性属性，掩膜电解加工过程会产生侧蚀问题，侧蚀问题的存在使得现有的掩膜电解加工方法局限于表面织构加工或薄板通孔加工，很难满足微模具等结构器件对高深宽比微结构的加工需求。

发明内容