电解加工用分流辅助硅电极、电解加工系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了电解加工用分流辅助硅电极、电解加工系统及方法。该硅电极包括：硅基体、绝缘层和金属层。硅基体包括夹持部和加工部，加工部远离夹持部一端的端面被设置为阴极面；硅基体表面上位于电极供电导电区外和阴极表面外的区域设有绝缘层；金属层包括电极供电导电端、分流阳极层、引线和阳极引出端，电极供电导电端设在位于电极供电导电区的硅基体上，分流阳极层位于加工部的绝缘层上，引线和阳极引出端位于夹持部的绝缘层上。该硅电极通过在阴极面一侧的绝缘层外设置分流阳极层来降低加工间隙外的杂散电流，使工件表面电流集中分布在加工间隙内，能够在不影响加工效率的同时约束材料蚀除范围，提高加工定域性和加工精度。提高加工定域性和加工精度。提高加工定域性和加工精度。

【技术实现步骤摘要】
电解加工用分流辅助硅电极、电解加工系统及方法


[0001]本专利技术属于特种加工
，具体而言，本专利技术涉及电解加工用分流辅助硅电极、电解加工系统及方法。

技术介绍

[0002]微细孔、槽等结构在航空航天、精密仪器、汽车、化工、通讯等领域具有广泛应用，如高端喷油嘴上的微喷孔、微流控芯片上的微流道等。在机械零件精密化、微型化趋势下，对微结构形状精度和表面质量要求越来越高，因此对微细加工技术提出了更加严峻的挑战。微细电解加工可将金属合金材料以离子形式溶解，理论上可实现亚微米甚至纳米级的加工精度，具有加工表面完整性好的原理性优势，已成为针对高精度、高质量微结构最具潜力的加工技术。
[0003]但目前微细电解加工技术在工业领域内尚无广泛的应用，主要受到加工定域性问题的制约，致使加工的微结构尺寸、形状精度较差。在电解加工过程中，理论上被加工工件表面与工具电极之间经电解液导通的区域均会发生金属溶解，空间分布的电场和流动的电解液使材料蚀除区域不能得到有效控制。为了提高加工精度，现有的技术手段包括：采用侧壁绝缘工具电极约束电场分布、采用低浓度水基钝性电解液和低压高频脉冲电源促进小电流密度区域材料钝化，抑制相应材料蚀除，这些手段在一定程度上约束了材料被蚀除的范围。

技术实现思路

[0004]本专利技术主要是基于以下问题和发现提出的：
[0005]本专利技术的申请人在在先申请的专利技术专利(201610909851.7)“电解加工用微细单晶硅工具电极及其制备方法”提供了一种微细硅工具电极的新思路，其主要专利技术构思是采用高浓度掺杂的硅材料作为电极基体，以二氧化硅/氮化硅薄膜层作为其侧壁绝缘层，大大提高了工具电极侧壁绝缘层的耐久性和稳定性。该专利中的侧壁绝缘电极虽然在一定程度上约束了空间电场分布，但由于其不能将电流密度集中约束在加工间隙内，工具电极端面附近的杂散腐蚀是通过高脉冲电源频率、低加工电压等其他工艺条件抑制的，虽然达到了提升加工定域性的效果，但是一定程度的牺牲了加工效率，难以同时保证加工精度和加工效率。为在不牺牲加工效率的前提上提高加工精度，需要从电极设计角度提出新的电极结构方案，抑制电场分布，将电流集中约束在加工间隙内。
[0006]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出电解加工用分流辅助硅电极、电解加工系统及方法。该硅电极通过在阴极面一侧的绝缘层外设置分流阳极层来降低加工间隙外的杂散电流，使工件表面电流集中分布在加工间隙内，能够在不影响加工效率的同时约束材料蚀除范围，提高加工定域性和加工精度。
[0007]在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种电解加工用分流辅助硅电极。根据本发
明的实施例，该硅电极包括：硅基体、绝缘层和金属层。所述硅基体包括夹持部和加工部，所述夹持部表面设有电极供电导电区，所述加工部设在所述夹持部的一端并伸出所述夹持部，所述加工部远离所述夹持部一端的端面被设置为阴极面；所述硅基体表面上位于所述电极供电导电区外和所述阴极表面外的区域设有所述绝缘层；所述金属层包括电极供电导电端、分流阳极层、引线和阳极引出端，所述电极供电导电端设在位于所述电极供电导电区的所述硅基体上；所述分流阳极层设在位于所述加工部的所述绝缘层上，所述引线和所述阳极引出端设在位于所述夹持部的所述绝缘层上，所述分流层和所述阳极引出端通过所述引线相连，所述引线和所述阳极引出端与所述电极供电导电端不接触；在所述加工部的长度方向上，所述阴极面与所述分流阳极层之间的距离不大于所述加工部与工件阳极之间的加工间隙。
[0008]本专利技术上述实施例的电解加工用分流辅助硅电极至少具有以下有益效果：1)该硅电极可通过光刻、刻蚀、沉积等MEMS工艺得到，工艺较成熟，具有大批量制作的应用潜力；2)通过在加工部绝缘层外侧上设置分流阳极层，同时控制分流阳极层与阴极面之间的距离不大于加工部与工件阳极之间的加工间隙，可以使分流阳极层距离阴极面的距离相对于工件表面更近，由此使得在电解加工过程中，在加工间隙外的部分由工件表面流向阴极面的电流可以改为从分流阳极层流向阴极面，由此可以降低加工间隙外的杂散电流，促进加工间隙外工件表面的钝化，将使材料的蚀除范围约束在加工间隙内，在不影响加工效率的同时提高了加工精度。
[0009]另外，根据本专利技术上述实施例的电解加工用分流辅助硅电极还可以具有如下附加的技术特征：
[0010]在本专利技术的一些实施例中，满足以下条件中的至少之一：所述加工部垂直于其长度方向的截面为多边形，所述多边形包括三角形、矩形或梯形；所述夹持部的尺寸为毫米级，所述加工部的垂直于其长度方向的截面尺寸为微米级；所述绝缘层的厚度为微米级或纳米级，所述分流阳极层的厚度为纳米级；所述硅基体为重掺杂的N型或P型单晶硅；所述绝缘层为硅基绝缘层；所述金属层为惰性金属层。
[0011]在本专利技术的一些实施例中，满足以下条件中的至少之一：以所述加工部垂直于其长度方向的截面为投影面，所述分流阳极层在所述投影面上的正投影位于所述绝缘层在所述投影面上的正投影的部分边缘外或全部边缘外；且以所述加工部的长度方向为基准，所述分流阳极层在所述加工部绝缘层上的设置长度不大于所述加工部绝缘层的长度；所述绝缘层的材质选自氧化硅、氮化硅和碳化硅中的至少之一；所述金属层包括铂层和/或金层。
[0012]在本专利技术的一些实施例中，所述加工部垂直于其长度方向的截面为矩形或梯形，所述加工部的至少一个侧面上设有所述分流阳极层，设在不同侧面上的所述分流阳极层为连续的金属层。
[0013]在本专利技术的一些实施例中，以所述加工部的长度方向为基准，所述分流阳极层的设置长度小于或等于或大于所述加工部的长度。
[0014]在本专利技术的一些实施例中，在所述加工部的长度方向上，所述阴极面与所述分流阳极层之间的距离为0～10μm。
[0015]在本专利技术的再一个方面，本专利技术提出了一种电解加工系统。根据本专利技术的实施例，该系统包括上述电解加工用分流辅助硅电极。针对上述电解加工用分流辅助硅电极所描述
的特征及效果同样适用于该电解加工系统，此处不再赘述。总的来说，与现有技术相比，该系统具有上述电解加工用分流辅助硅电极的全部特征及效果，此处不再赘述，总的来说，该系统不仅结构简单，而且通过电化学反应对工件进行加工时，还可以在保证加工效率的基础上进一步提高加工精度。
[0016]另外，根据本专利技术上述实施例的电解加工系统还可以具有如下附加的技术特征：
[0017]在本专利技术的一些实施例中，电解加工系统还包括：加工装置和电解加工电源，所述加工装置包括夹具、导电滑环和电机，所述夹具适于夹持所述分流辅助硅电极的夹持部，所述导电滑环一端与所述夹具相连且另一端与所述电机的旋转轴相连，所述电机适于通过所述导电滑环带动所述夹具旋转进而带动所述分流辅助硅电极旋转；所述电解加工电源的正极适于与工件阳极电连接，同时通过所述导电滑环与所述阳极引出端电连接；所述电解加工电源的负极适于通过所述导电滑环与所述电极供电导电端电连接。
[0018]在本专利技术的一些本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电解加工用分流辅助硅电极，其特征在于，包括：硅基体，所述硅基体包括夹持部和加工部，所述夹持部表面设有电极供电导电区，所述加工部设在所述夹持部的一端并伸出所述夹持部，所述加工部远离所述夹持部一端的端面被设置为阴极面；绝缘层，所述硅基体表面上位于所述电极供电导电区外和所述阴极表面外的区域设有所述绝缘层；金属层，所述金属层包括电极供电导电端、分流阳极层、引线和阳极引出端，所述电极供电导电端设在位于所述电极供电导电区的所述硅基体上；所述分流阳极层设在位于所述加工部的所述绝缘层上，所述引线和所述阳极引出端设在位于所述夹持部的所述绝缘层上，所述分流阳极层和所述阳极引出端通过所述引线相连，所述引线和所述阳极引出端与所述电极供电导电端不接触；在所述加工部的长度方向上，所述阴极面与所述分流阳极层之间的距离不大于所述加工部与工件阳极之间的加工间隙。2.根据权利要求1所述的分流辅助硅电极，其特征在于，满足以下条件中的至少之一：所述加工部垂直于其长度方向的截面为多边形，所述多边形包括三角形、矩形或梯形；所述夹持部的尺寸为毫米级，所述加工部垂直于其长度方向的截面尺寸为微米级；所述绝缘层的厚度为微米级或纳米级，所述分流阳极层的厚度为纳米级；所述硅基体为重掺杂的N型或P型单晶硅；所述绝缘层为硅基绝缘层；所述金属层为惰性金属层。3.根据权利要求1或2所述的分流辅助硅电极，其特征在于，满足以下条件中的至少之一：以所述加工部垂直于其长度方向的截面为投影面，所述分流阳极层在所述投影面上的正投影位于所述绝缘层在所述投影面上的正投影的部分边缘外或全部边缘外；且以所述加工部的长度方向为基准，所述分流阳极层在所述加工部绝缘层上的设置长度不大于所述加工部绝缘层的长度；所述绝缘层的材质选自氧化硅、氮化硅和碳化硅中的至少之一；所述金属层包括铂层和/或金层。4.根据权利要求3所述的分流辅助硅电极，其特征在于，所述加工部垂直于其长度方向的截面为矩形或梯形，所述加工部的至少一个侧面上设有所述分流阳极层，设在不同侧面上的所述分流阳极层为连续的金属层。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，祝玉兰，刘国栋，佟浩，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：