[发明专利]一种微细结构的抛光方法及装置

说明书

一种微细结构的抛光方法及装置，基于剪切增稠与化学复合效应实现，装置包括抛光系统、抛光液循环装置、振动装置和角度调节装置。抛光液循环装置位于抛光系统下方，振动装置位于抛光系统上方，角度调节装置可调节振动倾角。方法利用化学腐蚀和非牛顿流体抛光液的剪切增稠效应实现对微细结构工件的腐蚀抛光。具有微细结构的工件表面首先被腐蚀，利用垂直/倾斜振动下抛光液的剪切增稠作用实现对微细结构工件的抛光，通过调控工件振动倾角实现最高效率抛光。本发明可实现对微细结构工件的高效抛光，克服微细结构工抛光过程中表面质量与面形精度不能兼顾的难题，能有效消除表面缺陷。抛光后的微细结构工件具有纳米级表面粗糙度和亚微米级面形精度。

技术领域

本发明属于超精密加工领域，涉及一种微细结构的抛光方法及装置，具体涉及一种针对光学结构、漫波结构、微流体结构等微细结构形式的高效加工方法及装置。

背景技术

微细结构由于其异于传统表面的诸多优点和功能，在光学、国防、微流体及表面工程等领域有着广泛的应用。例如：在通讯、安检等领域有着巨大应用前景的太赫兹技术，作为太赫兹辐射源电真空器件的慢波结构就是典型的微细结构；聚光太阳能系统中采用具有微细结构的菲涅尔透镜可将光线从相对较大的区域面积转换成相当小的面积上有效减少了光电池中半导体材料的用量，可大大节约成本；具有微细结构的微流体芯片可以在微观尺度下实现对复杂流体的高效操控，在化学、医药、生命科学等领域也有广泛的应用前景。

随着科学技术水平的不断进步，在国家的大力支持下超精密表面制造近年得到了较大的发展。抛光是超精密表面制造过程中的重要一环，通常作为最终的加工工序。通过抛光可以获得高面形精度、低表面粗糙度、低损伤甚至无损伤的表面，促进了微细结构及其超精密制造的发展。

微机电系统(MEMS)所采用的光刻、刻蚀和电沉积和聚焦离子束(FIB)等可实现微细结构的制造并保持较好的表面质量和面形精度。虽然MEMS和FIB可以制造出面形精度和表面质量都符合要求的表面，但是由于其高成本，低效率、工序复杂等特点无法实现对需求的快速响应。对于几十到几百微米的微细结构，精密机械加工技术如切削、磨削等被认为是一种合理而有效的方式。国外研究人员【E.Brinksmeier,and O.Riemer.“Deterministicproduction of complex optical elements.”International Journal of ProductionEngineering and Computers-Special Issue on CAPP and Advances in CuttingTechnology,2002,4(5):63-72.】使用锥销式和锥轮式抛光工具对微细结构工件7进行抛光并较好的保持了微细结构的面形精度和表面粗糙度。但是由于工具较为尖锐，在抛光过程中易磨损，需要频繁更换抛光工具来保证材料去除的均匀性，即便如此加工后微细结构工件7表面存在的刀具痕迹23和毛刺22等始终存在。目前针对微细结构还未提出高效并且有效的抛光方法与装置。

专利CN201310275700.7公开了基于非牛顿流体剪切增稠机理抛光方法的加工装置。该方法是利用非牛顿流体的剪切增稠效应，即抛光液8在高速旋转时工件表面一定厚度的抛光液8剪切速率增大发生剪切增稠效应，宏观表现为粘度的增加，磨粒19把持力增加，利用磨粒19的微切削作用实现材料去除。这种方法所使用的抛光液8具有一定的柔性，可实现对曲面的加工。虽然这种方法具有一定的加工效率但是加工效率提升有限，并且旋转状态下的的抛光液8只能加工单一曲面，面形精度保持情况未知，不适用于较复杂结构的抛光。

发明内容

针对上述方法和装置不能兼顾微细结构面形精度和表面质量、加工效率低和工具抛光存在的缺陷。本发明首次提出一种能兼顾表面质量和面形精度、结构简单、加工效率高的基于剪切增稠与化学复合效应振动抛光微细结构的方法及装置。本发明可实现对微细结构工件7的高效抛光，克服微细结构工抛光过程中表面质量与面形精度不能兼顾的难题，并有效消除表面缺陷。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：