三维微细结构电铸方法及装置制造方法及图纸

一种三维微细结构电铸方法及装置，属于微细加工领域。该方法是用屏蔽阳极膜板限制电沉积发生的区域。计算机控制电源供电，使电沉积过程间隔进行。在非电沉积时间段，使屏蔽阳极膜板与阴极相对移动，根据零件轮廓形状确定其ｘ、ｙ方向上的相对位移。同时，在每个沉积周期开始时，根据电铸产物的高度ｈ，确定屏蔽阳极膜板与阴极在ｚ方向的相对位移，以保证沉积层表面略低于胶层表面或和胶层表面在同一高度。实现该方法的设备关键在于将电铸设备与数控装置结合，实现屏蔽阳极膜板、阴极的相对移动以及沉积产物高度的在线测量。应用本发明专利技术能制造出组织致密、侧壁陡直、任意深宽比且成本低廉的金属微结构。

【技术实现步骤摘要】
三维微细结构电铸方法及装置
本专利技术的三维微细结构电铸方法及装置，属于微细加工领域。
技术介绍
微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是二十世纪最重要的科学技术进展之一，也是当今科学研究的热点。微细制造技术是微机电系统的基础和核心。具有高深宽比(或称高宽比)的微细结构(High-Aspect-RatioMicrostructures，HARMS)广泛应用于微机电系统中。HARMS的制造水平往往直接影响到甚至于决定了微器件的性能和特性，高深宽比将可能给微器件带来更高的灵敏度、更大的位移量或者更强的驱动力。例如：磁驱动器、微马达和微型电涡流传感器中为在一定微尺寸下获得尽量大的输出力矩或能量，就必须提高微型平面线圈的高宽比；在微型模具制造方面，也经常遇到高深宽比的微细结构；在航空航天机载设备、仪表齿轮、微镜阵列、微马达和微连接器的部件、微流体传感器、微细喷墨喷嘴板、纺织行业用微细喷丝板等方面，高深宽比微细结构的制造都是至关重要的。高深宽比微细金属结构的制造方法主要有EFAB、LIGA、准LIGA、深层反应离子刻蚀、局部电化学沉积、微细电解加工、微细电火花加工等。这些微细制造方法在某些场合下取得了良好的效果，但都有其局限性，远远不能满足加工需求。EFAB(Electrochemical FABrication)是基于SFF(Solid Freeform Fabrication)的分层制造原理开发出来金属微结构加工技术，它用一系列称作InstantMasking的掩模板选择性电沉积金属将微结构层层堆积起来，具有真正的三维加工能力。但该技术步骤多，过程复杂，且制造的微结构材料有限制，目前仅限于金属镍。LIGA技术要使用价格极其昂贵和稀缺的同步辐射光源，成本高，加工周期长；微细电铸易出现厚度不均、组织疏松、针孔、表面粗糙等缺陷；准LIGA技术无法获得高深宽比的微结构，而且光刻胶应力大，去胶困难；局部电化学沉-->积由于利用电场的尖端效应，所得金属微结构的组织疏松，且仅能制造出极少数特殊形状零件；微细电火花加工的电极损耗和补偿问题还没有得到很好解决。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能制造出组织致密、侧壁陡直、任意深宽比且成本低廉的三维金属微结构电铸成形方法及其装置。一种三维微细结构电铸方法，其特征在于包括以下步骤：(1)、根据零件的形状和尺寸设计制作屏蔽阳极膜板，在电铸加工过程中，利用屏蔽阳极膜板限制电沉积发生的区域；(2)、在电铸加工过程中，使阴极与屏蔽阳极膜板按根据零件轮廓形状设定的轨迹作空间三维相对移动，即：(a)、电铸开始时，将阴极与屏蔽阳极膜板贴合或留微量间隙，用电源供电，电沉积发生；(b)、电铸一定时间后，断开电源，阴极与屏蔽阳极膜板分离，并让电铸液从其间隙流过；(c)、控制阴极与屏蔽阳极膜板相对移动，根据零件轮廓形状确定阴极与屏蔽阳极膜板在x、y方向上的相对位置，并根据电铸产物的高度h，使阴极与屏蔽阳极膜板在z方向间具有微量间隙δ以保证沉积层底面略低于屏蔽阳极膜板的胶层表面或和胶层表面在同一高度；(d)、再用电源供电电沉积发生；(e)、重复上面的步骤，根据电铸产物的高度h的增加，相应增大微量间隙δ。对于制作屏蔽阳极膜板有很多种方案，比如以下三种：(1)、利用光刻工艺，首先根据要求设计掩模，然后将光敏材料涂覆于阳极衬底上，利用光源将掩模板上的图形转移到光敏材料上，经显影形成具有特定镂空图案的屏蔽阳极膜板；(2)、利用体硅或DRIE工艺在硅片上刻蚀出所需图案，然后用键合或机械方法使硅片和阳极衬底紧密贴合，形成屏蔽阳极膜板；-->(3)、利用机械加工在绝缘薄片上加工出所需图案，然后用胶合或机械方法使绝缘薄片和阳极衬底紧密贴合，形成屏蔽阳极膜板。一种三维微细结构电铸装置，包括由屏蔽阳极膜板、阴极、电铸液组成的电铸系统，由温度传感器、加热器、温控仪组成的温度控制系统，其特征在于：还包括计算机、可实现x，y方向进给的数控工作台、可实现z方向进给的z轴组成的数控运动系统；由测量探针、光栅、示波器，电子开关组成的沉积产物高度在线测量系统；所述屏蔽阳极膜板由阳极衬底和附于阳极衬底表面的具有特定镂空图案的屏蔽膜构成，并通过阳极安装夹具安装在所述的数控工作台上，所述阴极安装在Z轴上。本专利技术的有益效果是：1、采用电铸工艺可获得组织致密、侧壁陡直、表面粗糙度小的金属微结构，复制精度和重复精度高。2、采用屏蔽阳极膜板技术，金属结构直接沉积在阴极表面，没有去胶的问题，且屏蔽阳极膜板可多次重复使用，减低了成本。3、通过在微细电铸过程中屏蔽膜板随金属沉积层的增加做相应的微量移动，从而用有限厚度的屏蔽层制造出深宽比不受限制(原理上)的金属微结构。4、在电铸加工过程中，使屏蔽阳极膜板、阴极按根据零件轮廓形状设定的轨迹作相对空间三维移动，可加工高深宽比的三维金属微结构。5、可在线测量沉积物的高度，加工精度高。6、加工过程由计算机控制，控制精度高，易于实现自动化和批量生产。附图说明图1是三维微细结构电铸装置整体结构示意图。图2是三维微细结构电铸方法过程示意图。图1中标号名称：1、电机，2、Z轴，3、计算机，4、电源，5、温控仪，6、加热器，7、温度传感器，8、电铸槽，9、数控工作台，10、机床本体，11、阳极安装夹具，12、阳极衬底，13、屏蔽膜，14、电铸产物，15、阴极，16、阴极-->安装夹具，19、测量探针，20、光栅，21、示波器，22、电子开关。图2中标号名称：17、电铸液，18、屏蔽阳极膜板。具体实施方式根据图1所示，本专利技术的“三维微细结构电铸装置”包括电机1、电源4、温控仪5、加热器6、温度传感器7、电铸槽9、机床本体10。其特点是：计算机3控制电子开关22的通断，以实现电源4分别为电铸支路和在线测量支路供电；屏蔽阳极膜板18由阳极衬底12和屏蔽膜13构成，并通过阳极安装夹具11安装在数控工作台9上，阴极15适当的与Z轴2相联；电铸时，计算机3控制Z轴2和数控工作台9作相应的运动，以此带动屏蔽阳极膜板18和阴极15做相对运动；在线测量时，计算机3控制Z轴2和数控工作台9作相应的运动，以此带动测量探针19和阴极15做相对运动，根据光栅20的位置测量出沉积产物的高度h。下面结合图1和图2所示，说明的“三维微细结构电铸方法”的工作原理及具体加工过程：屏蔽阳极膜板18由阳极衬底12和屏蔽膜13构成，可选用以下三种方案之一制作：(1)、将光敏材料涂覆在阳极衬底上，衬底采用可导电的材料，如铜、镍、铂、纯钛等。利用紫外线或激光将掩模板上的图形转移到光敏材料上，经显影形成具有特定镂空图案的屏蔽阳极膜板18。(2)、利用体硅或DRIE工艺在硅片上刻蚀出所需图案，然后用键合或螺栓联接方法使硅片和阳极衬底紧密贴合，形成屏蔽阳极膜板18；阳极衬底采用可导电的材料，如铜、镍、铂、纯钛等。(3)、利用机械加工，如钻、铣，在有机玻璃、环氧树脂、塑料等绝缘薄片上加工出所需图案，然后用粘胶或螺栓联接方法使绝缘薄片和阳极衬底紧密贴合，形成屏蔽阳极膜板18；阳极衬底采用可导电的材料，如铜、镍、铂、纯钛等。如图2(b)所示，电铸开始时，将屏蔽阳极膜板18与阴极15贴合或留微量间隙，记录下此时光栅位置z0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维微细结构电铸方法，其特征在于包括以下步骤：　　　　（１）、根据零件的形状和尺寸设计制作屏蔽阳极膜板，在电铸加工过程中，利用屏蔽阳极膜板限制电沉积发生的区域；　　　　（２）、在电铸加工过程中，使屏蔽阳极膜板、阴极按根据零件轮廓形状设定的轨迹作相对空间三维移动，即：　　　　（ａ）、电铸开始时，将屏蔽阳极膜板与阴极贴合或留微量间隙，用电源供电，电沉积发生；　　　　（ｂ）、电铸一定时间后，断开电源，屏蔽阳极膜板与阴极分离，并让电铸液从其间隙流过；　　　　（ｃ）、控制屏蔽阳极膜板与阴极相对移动，根据零件轮廓形状确定屏蔽阳极膜板与阴极在ｘ、ｙ方向上的相对位置，并根据电铸产物的高度ｈ，使屏蔽阳极膜板阴极在ｚ方向间具有微量间隙δ以保证沉积层表面略低于胶层表面或和胶层表面在同一高度；　　　　（ｄ）、再用电源供电电沉积发生；　　　　（ｅ）、重复上面的步骤，根据电铸产物的高度ｈ的增加，相应增大微量间隙δ。

【技术特征摘要】
1、一种三维微细结构电铸方法，其特征在于包括以下步骤：(1)、根据零件的形状和尺寸设计制作屏蔽阳极膜板，在电铸加工过程中，利用屏蔽阳极膜板限制电沉积发生的区域；(2)、在电铸加工过程中，使屏蔽阳极膜板、阴极按根据零件轮廓形状设定的轨迹作相对空间三维移动，即：(a)、电铸开始时，将屏蔽阳极膜板与阴极贴合或留微量间隙，用电源供电，电沉积发生；(b)、电铸一定时间后，断开电源，屏蔽阳极膜板与阴极分离，并让电铸液从其间隙流过；(c)、控制屏蔽阳极膜板与阴极相对移动，根据零件轮廓形状确定屏蔽阳极膜板与阴极在x、y方向上的相对位置，并根据电铸产物的高度h，使屏蔽阳极膜板阴极在z方向间具有微量间隙δ以保证沉积层表面略低于胶层表面或和胶层表面在同一高度；(d)、再用电源供电电沉积发生；(e)、重复上面的步骤，根据电铸产物的高度h的增加，相应增大微量间隙δ。2、根据权利要求1所述的三维微细结构电铸方法，其特征在于：实现所述的屏蔽阳极膜板与阴极间的相对移动，是依靠屏蔽阳极膜板的x，y方向运动，阴极z方向运动实现的。3、根据权利要求1所述的三维微细结构电铸方法，其特征在于：实现所述的屏蔽阳极膜板与阴极间的相对移动，是依靠屏蔽阳极膜板z方向运动，阴极的x，y方向运动实现的。4、根据权利要求1所述的三维微细结构电铸方法，其特征在于：实现所述的屏蔽阳极膜板与阴极间的相对移动，是依靠屏蔽阳极膜板的x，y，z方向运动实现的。5、根据权利要求1所述的三维微细结构电铸方法，其特征在于：实现所述的屏蔽阳极...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱荻，曾永彬，曲宁松，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]