一种微半环凹模阵列化学-机械分级复合制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超精密加工领域，尤其是一种微半环凹模阵列化学-机械分级复合制造方法。
【背景技术】
[0002]半球谐振陀螺是一种新型惯性传感器，与机械陀螺相比具有诸多优点。宏观尺度的半球谐振陀螺精度已达到惯性级别，开始应用于航空、兵器和空间惯导系统，但由于尺度大导致体积大、质量重、功耗高，且高度依赖于超精密加工技术，在很大程度上限制了其应用。MEMS陀螺具有尺寸小、重量轻、功耗低等优点，但现有的MEMS陀螺无法达到惯性级精度，不能应用在精度要求高的场合，例如在GPS盲区为飞行器提供短程导航。MEMS陀螺精度不高的主要原因在于:现有的MEMS元件加工方法，如化学腐蚀、刻蚀、光刻转印等，绝大部分是2D或2.5D的结构，这些方法加工的元器件质量和材料分布不均，导致陀螺感应频率与驱动之间匹配性差，使得MEMS陀螺的精度受到极大限制。为了提升MEMS陀螺的精度，国内外学者开始致力于研究3D结构MEMS半球谐振陀螺，这种陀螺最关键的部件是沉积在晶体材料微半环凹模上的高精度微小半球薄膜壳，研究证明基于化学气相沉积(chemicalvapor deposit1n，CVD)的多晶金刚石薄膜谐振器品质因数远远高于同样结构的娃材料谐振器。然而，CVD微半球壳的精度依赖其“母体”微半环凹模的形状精度、表面粗糙度和表面质量。目前，单晶硅材料微半环凹模的加工方法有:从传统MEMS的2D和2.5D结构制造方法扩展而来的三维结构加工方法、微细EDM加工、微铣削加工、微细超声分层加工。至今，这些已见报道的加工方法还无法满足单晶硅硬脆微半环凹模加工精度和加工效率的要求，主要因为:⑴传统的MEMS微加工一湿法化学刻蚀和干法等离子刻蚀等方法，在从2D结构向3D结构延伸的过程中，都难以摆脱晶体方向和掩膜材料的选择性问题，无法加工出具有高度对称性和材料一致均匀的微半环凹模，此种方法加工微半环凹模精度差，且效率低。(2)微细电火花加工(yEDM)微半环凹模，由于放电空间小，要求加工设备的精度极高，难以制造出形状精度极高的电极，且工具电极在加工过程中磨损很快，加工出来的微半环凹模表面质量差，形状精度不高。(3)微铣削加工微半环凹模，在材料脆性去除时，由于铣削加工自身的弱点，导致微半环凹模顶部或者底部经常会出现崩裂、表面及亚表面损伤，难以满足加工要求，在采用塑性延展铣削加工时，加工效率和成品率极低。(4)利用超声和微细工具分层加工微半环凹模，由于微细工具的磨损难以准确预测和控制，因而分层进给路径难以合理规划，导致微半环凹模形状精度较差，且加工效率低。(5)其他的电加工微结构的方法，如电解加工，受到单晶硅材料导电性的限制，难以用于微半环凹模的加工。综上，由于无法加工出高质量的谐振陀螺单晶硅微半环凹模，至今尚未见报道研制出惯性级别精度的MEMS半球谐振陀螺。
【发明内容】
[0003]为了克服已有谐振陀螺单晶硅微半环凹模无法实现高形状精度、低表面粗糙度、高表面质量、高效率加工的不足，本发明提供了一种高形状精度、低表面粗糙度、高表面质量、高效率的微半环凹模阵列化学-机械分级复合制造方法。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0005]—种微半环凹模阵列化学-机械分级复合制造方法，所述制造方法包括如下步骤:
[0006]1)制作精密球阵列研抛模
[0007]所述研抛模包括工具连杆、定位基板和精密球体，工具连杆的上端与微细超声发生器相连接，所述工具连杆的下端与定位基板连接，在定位基板上加工出阵列孔径，孔径大小小于精密球体直径，在孔径和精密球体之间充满粘结剂，球体的一部分嵌入孔内；
[0008]2)第一级研抛
[0009]采用精密球阵列研抛模，通过化学-机械加工方法实现微凹模阵列的形状构型；
[0010]在待加工的工件上涂覆Au/Cr膜，膜厚度在30nm300nm之间，用来作为晶体材料表面保护层；在研抛液中加入HNA溶液；
[0011]通过精密球阵列研抛模的微细超声振动，激发研抛模和微凹模衬底工件之间的研抛液中的微细磨粒高速冲击微凹模衬底工件，并伴随超声空化、研抛模对工件的刮擦、锤击复合作用，发生机械性材料去除，在可控化学腐蚀和微细超声仿形研抛共同作用下，对衬底工件进行材料去除，此级材料去除属于脆性去除和化学腐蚀材料去除；
[0012]3)第二级研抛
[0013]采用所述精密球阵列研抛模进行第二次研抛，通过调整超声振动的参数和Z向进给参数，使得工件的材料去除形式转变为材料塑性去除，降低研抛液中HNA溶液的浓度，减缓HNA溶液对功能材料的化学腐蚀速度；第二次研抛材料去除形式是微细超声振动下的材料塑性去除和HNA溶液对衬底材料的缓慢化学腐蚀作用，可以对微凹模进行修形和表面质量提升。
[0014]进一步，所述步骤1)中，在定位基板上粘结了限位挡圈，当限位挡圈碰触工件平面，z轴向下进给运动停止。
[0015]再进一步，所述步骤1)中，所述超精密高一致性研抛模的装配方法如下:将阵列孔内均匀涂抹防水性粘结剂，将研抛模倒置，采用精密压板垂直下压精密球体，由于精密球体和孔径之间充满防水性粘结剂，垂直压力调节防水性粘结剂膜的厚度，进而达到球体上端最高点位于同一平面。
[0016]所述步骤1)中，所述超精密高一致性研抛模的装配方法如下:将阵列孔内均匀涂抹防水性粘结剂，将研抛模倒置，采用精密压板垂直下压精密球体，由于精密球体和孔径之间充满防水性粘结剂，垂直压力调节防水性粘结剂膜的厚度，进而达到球体上端最高点位于同一平面；
[0017]对于限位挡圈装配方式，采用带有阵列孔的精密压板垂直下压限位挡圈，使得限位挡圈上圆环截面在一个平面内，完成限位挡圈的装配。
[0018]根据材料去除情况以及后续抛光的预留量调整限位挡圈的高度。
[0019]所述精密球体采用传统的塑性球体，材料为合金钢和特种刚；
[0020]或者是:所述精密球体采用陶瓷球体。
[0021]本发明的技术构思为:在功能材料(单晶硅、蓝宝石、红宝石等)表面镀Au/(；膜，膜厚度在30nm300nm之间，用来作为晶体材料表面保护层(HNA溶液)，防止HNA溶液腐蚀晶体衬底材料表面，HNA溶液指的是HN03、HF、CH3C00H的混合液。在研抛液中，加入HNA溶液，HNA溶液对没有涂覆保护层的部分或者保护层被机械作用打开的部分发生腐蚀作用，腐蚀速度可以通过改变研抛液中的HNA溶液浓度进行调控。另外，通过阵列研抛模的微细超声振动，激发研抛模和微凹模衬底工件(单晶硅、蓝宝石、红宝石等功能晶体)之间的研抛液中的微细磨粒高速冲击微凹模衬底工件，并伴随超声空化、研抛模对工件的刮擦、锤击等复合作用，发生机械性材料去除。这样在可控化学腐蚀和微细超声仿形研抛共同作用下，对衬底工件进行材料去除，材料的机械去除原理如图1所示，化学-机械共同作用效果如图2所示。
[0022]采用两级分级研抛，第一级研抛采用自制的精密球阵列研抛模，通过所述的化学-机械加工方法实现微凹模阵列的形状构型，通过第一次研抛，微凹模阵列的位置和形状精度基本可以满足要求，第一次研抛主要实现材料的脆性去除和较快速的化学腐蚀。采用同样的自制精密球阵列研抛模进行第二次研抛，第二次研抛需要对微凹模阵列形状精度进行修正和凹模表面粗糙度的降低，第二次研抛不同于第一次研抛主要表现在:通过调整超声振动的参数和Z向进给参数，使得工件的材料去除形式转变为材料塑性去除，降低研抛液中HNA溶液的浓度，减缓HNA溶液对功能材料的化学腐蚀速度。第二次研抛材料去除形式是微细超声振动下的材料塑性去除和HNA溶液对衬底材料的缓慢化学腐蚀作用，因而可以对微凹模进行修形和表面质量提升。
[0023]上述阵列式分级研抛过程可在同一设备上实现，不同点只是需要更换研抛模和研抛液，可大幅提升微半环凹模的加工效率，保证微凹模圆周半径的一致性和不同凹模之间几何形状的一致性，通过第二级材料塑性去除和HNA溶液对工件衬底材料化学去除作用的协同机械-化学复合研抛方式，可以提高微凹模阵列的形状精度和表面质量。
[0024]本发明的有益效果主要表现在:高形状精度、低表面粗糙度、高表面质量、高效率。
【附图说明】
[0025]图1是微凹模阵列式研抛原理图。
[0026]图2是带有保护层的工件化学-机械复合加工后图。
[0027]图3是研抛模结构图。
[0028]图4是研抛模装配方法示意图。
[0029]图5是微半环凹模阵列微细超声分级研抛装置的结构图。
[0030]图6是微半环凹模阵列微细超声分级研抛装置的轴等侧图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0032]参照图1?图6，一种微半环凹模阵列化学-机械分级复合制造方法，所述制造方法包括如下步骤:
[0033]1)制作精密球阵列研抛模
[0034]所述研抛模包括工具连杆71、定位基板72、精密球体75，工具连杆71的上端与微细超声发生器相连接，所述工具连杆71的下端与定位基板72连接，在定位基板72上加工出阵列孔径，孔径大小小于精密球体直径，在孔径和精密球体75之间充满粘结剂，球体的一部分嵌入孔内；
[0035]2)第一级研抛
[0036]采用精密球阵列研抛模，通过化学-机械加工方法实现微凹模阵列的形状构型；
[0037]在待加工的工件上涂覆Au/(；膜，膜厚度在30nm300nm之间，用来作为晶体材料表面保护层；在研抛液中加入HNA溶液；
[0038]通过精密球阵列研抛模的微细超声振动，激发研抛模和微凹模衬底工件之间的研抛液中的微细磨粒高速冲击微凹模衬底工件，并伴随超声空化、研抛模对工件的刮擦、锤击复合作用，发生机械性材料去除，在可控化学腐蚀和微细超声仿形研抛共同作用下，对衬底工件进行材料去除，此级材料去除属于脆性去除；
[0039]3)第二级研抛
[0040]采用所述精密球阵列研抛模进行第二次研抛，通过调整超声振动的参数和Z向进给参数，使得工件的材料去除形式转变为材料塑性去除，降低研抛液中HNA溶液的浓度，减缓HNA溶液对功能材料的化学腐蚀速度；第二次研抛材