一种盘型扫描电极掩膜微电解放电加工系统及加工方法

摘要

本发明公开一种盘型扫描电极掩膜微电解放电加工系统，包括工件、盘型电极和工作液，所述工件的加工表面覆盖掩膜，所述掩膜上设置有加工窗口，所述工件置于工作液中，所述盘型电极位于所述工件上方的工作液中，所述工件和盘型电极通过导线与电源连接。本发明的有益效果是：在工件上覆盖结构性绝缘掩膜，可精密复制掩膜形状，进行大规模微织构加工，并使加工只发生在掩膜未覆盖区域，有较高的定域性；使用的工具电极为大面积电极，并与工件间有相对运动；可通过规划特殊的运动轨迹，让工具电极的各区域的损耗趋于均衡，使各加工间隙保持统一；电解作用仅作抛光作用，主要去除为火花放电去除；工作液供给方式为自上而下，从盘型电极中央自内向外喷出，使工作液更新更为有效。

说明书

技术领域

本发明涉及电加工技术领域，具体是指一种盘型扫描电极掩膜微电解放电加工系统及加工方法。

背景技术

随着微电子技术、纳米技术、微纳加工技术、激光技术、微化学技术、新材料新工艺等技术的进步，微机械系统(MEMS)技术得到不断提升和发展。微流控芯片在生物、化学和医学等领域具有极大潜力。聚合物材料由于具有成本低、性能良好、选择范围广等优点，通过模具易于实现微流控芯片的快速、低成本、大批量生产，正日益成为制作微流控芯片的主要材料(见：刘莹.基于微流控芯片的微结构制品注塑成型工艺技术研究.大连：大连理工大学，2012)。

聚合物微流控芯片一般采用热压成型法、模塑法、注塑成型法、激光烧蚀法等加工方法成型(见：常宏玲.注塑成型PMMA微流控芯片热压键合研究[D].大连：大连理工大学，2012)。前三种方法利用模具制造微流控芯片，成本低、周期短、自动化程度高，是目前最常用的微流控芯片成型方法。所以，研究一种高效制备优质的金属表面大面积微结构模具的方法和工艺是关键。

微流控芯片微通道的特征尺寸一般为：高50～100μm、宽30～200μm，表面质量和尺寸精度要求严格，在金属模具上表现为凸起的结构，用传统机械加工很难满足加工要求(见：宋满仓，于超，张建磊等.聚合物微流控芯片模具制造关键技术研究进展[J].模具工业，2012，(02)：1-6)。聚合物微流控芯片模具的制造技术主要有：LIGA技术、UV-LIGA技术、微铣削技术、激光微加工、化学蚀刻、电火花加工技术等技术。其中与本发明最相似的方法是：化学蚀刻技术和电火花加工技术。

光刻技术(Lithography)采用X射线或紫外线为曝光源，经过曝光显影等工序，将掩膜板上设计好的图案转移至附着在基底材料的光刻胶上，形成凹凸的图案(见：陈大鹏，叶甜春.现代光刻技术[J].核技术，2004，27(2)：81-86)。首先在基底上涂覆一层抗蚀光刻胶，固化后用曝光技术通过掩膜板在透射区将抗蚀层曝光，曝光的光刻胶发生变质，再通过显影液清洗后，去除变质的光刻胶(正性胶)或未变质的光刻胶(负性胶)，露出基底材料，形成与掩膜板上相同的图案。

电解电火花复合加工技术(ECDM)，选择合适电导率的工作液，该溶液具有出一定的介电性能，可以产生电火花放电，同时还具有一定的导电性能产生电化学作用(见：尹青峰，王宝瑞，张勇斌等.弱电解质溶液EDM/ECM复合加工机理研究[J].机械设计与制造，2014，(5)：85-88)。工具电极接负极，工具接正极，接通电源后首先产生阳极电解作用，产生金属离子在电场作用下向工具电极运动。在合适电压下，当工具电极与工件的间隙进给到火花放电的临界值时，产生电火花放电，放电产生瞬间高温将工件材料去除，实现工件材料的加工。工具电极也会伴有一定程度的瞬间高温蚀除，而吸附在工具电极附近的金属离子得到电子还原反应，沉积在工具电极表面会补偿电极损耗。

化学蚀刻技术(见：ZhangC，RentschR，BrinksmeieE.Advancesinmicroultrasonicassistedlappingofmicrostructuresinhard-brittlematerials：abriefreviewandoutlook[J].nternationalJournalofMachineTools&Manufacture，2005，(45)：881-890)是利用被加工材料在特定腐蚀溶液或气体中发生化学反应而溶解或腐蚀的原理去除加工区的材料，由于工件表面利用光刻技术制作了一定图案的防蚀层，蚀刻形成具有相似图案的凹凸结构或镂空效果。化学蚀刻包括干法蚀刻和湿法蚀刻两种，微米级尺寸结构一般较多采用湿法蚀刻技术。湿法化学蚀刻的缺点是：腐蚀液对机床及相关零部件抗腐蚀能力要求比较高，加工过程常常因产生化学雾气和有毒性气体而不利于环保，化学蚀刻原理上的侧腐蚀现象会导致加工尺寸不易精确控制、微通道侧壁垂直性不好和截面形状难以控制。

电火花加工技术是利用电极和工件之间高压脉冲产生火花放电时的电蚀作用去除材料的加工方法，加工微流控芯片模具可以采用微细电火花铣削法和电火花仿形加工法。电火花仿形加工法需要预先制作微流控芯片母模作为工具电极，通过纵向进给加工出所需深度的微流控芯片模具。电火花加工技术加工表面微结构的方法有微细电火花铣削法和电火花仿形加工法，与本发明相近的是电火花仿形加工法，其缺点是：由于工具电极损耗严重，会影响成形精度和使用寿命，并且加工存在热影响区，使工件表面产生变质层，微细结构易产生热变形。

上述现有技术均存在通孔部位加工不足、加工深度不均匀的问题，由于采用中间开通孔的圆柱状电极作为工具阴极，加工中电极不作平动，通孔位置对应的工件表面某一区域电场微弱，这一区域因加工量极少而产生的微结构深度很浅，表现出加工深度不均匀。并且该方法只能加工小面积范围内的微结构，对于更大面积微结构的加工不适用。因为如果只是增加电极底面积，又会带来加工电流过大或流场分布不均匀的问题。

目前电解电火花复合加工技术在掩膜工件加工微结构方面未见报道。采用微小电极进行电解电火花加工，对于大面积微通道凸起结构的加工效率很低。仿形电火花加工技术也可以大面积加工，但需要预先制作互补的模具并且电极损耗严重，而该方法只需要制作工件掩膜，具有成本低、周期短和工具损耗率低的优势。湿法化学蚀刻，也使用了光刻掩膜的手段，但是蚀刻的微结构侧壁垂直性很差，不能满足微通道的垂直性要求。

另外，现有电解放电加工还存在电极面积小，工具电极的各区域的损耗不均衡，不利于工作液更新，加工间隙不稳定，加工表面质量差等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种工具电极损耗小，加工表面精度高，且可以进行大面积电火花表面加工的盘型扫描电极掩膜微电解放电加工系统。

本发明的第二目的是提供一种盘型扫描电极掩膜微电解放电加工方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：盘型扫描电极掩膜微电解放电加工系统，包括工件、盘型电极和工作液，所述工件的加工表面覆盖掩膜，所述掩膜上设置有加工窗口，所述工件置于工作液中，所述盘型电极位于所述工件上方的工作液中，所述工件和盘型电极通过导线与电源连接。

所述盘型电极包括旋转面和固定在旋转面上的连接轴组成，所述旋转面设置有中央出液口，所述中央出液口连通于所述连接轴的内腔。

其中，所述盘型电极与工件间的距离为掩膜厚度再加上15-30um。

优选的，所述盘型电极与工件间的距离为掩膜厚度再加上20um，这样有利于工作液更新，提高加工精度。

盘型扫描电极掩膜微电解放电加工方法，包括工件、盘型电极和工作液，所述工件的加工表面覆盖掩膜，所述掩膜上设置有加工窗口，所述工件置于工作液中，最少一个所述盘型电极位于所述工件上方的工作液中，所述工件和盘型电极通过导线与电源连接，所述盘型电极在工作液中自转，并且所述盘型电极相对于所述工件做相对整体转动。

其中，所述盘型电极整体转动的转速为5-20r/min。

优选的，所述盘型电极整体转动的转速为10r/min。

其中，所述盘型电极自转的转速为1500-5000r/min，优选的，自转的转速为3000r/min。

本发明通过让工具电极运动，让工具电极参与加工的区域一直变化，从而使加工局域的间隙一直稳定，有效的克服电火花会对工具电极有损耗，而这损耗会引起极间间隙变化，不稳定等缺陷。

总的来说，现有技术相比，本发明的有益效果是：在工件上覆盖结构性绝缘掩膜，可精密复制掩膜形状，进行大规模微织构加工，并使加工只发生在掩膜未覆盖区域，有较高的定域性；使用的工具电极为大面积电极，并与工件间有相对运动；可通过规划特殊的运动轨迹(自转与工件进给轨迹)，让工具电极的各区域的损耗趋于均衡，使各加工间隙保持统一；电解作用仅作抛光作用，主要去除为火花放电去除；工作液供给方式为自上而下，从盘型电极中央自内向外的中央出液口喷出，使工作液更新更为有效。

附图说明

图1为本发明盘型扫描电极掩膜微电解放电加工系统横截面示意图；

图2为本发明盘型扫描电极掩膜微电解放电加工系统立体结构示意图；

图3为本发明盘型电极的轨迹图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

盘型扫描电极掩膜微电解放电加工系统，如图1-图2所示，包括工件4、盘型电极5和工作液6，所述工件4的加工表面覆盖掩膜3，所述掩膜3上按照加工要求设置有加工窗口，所述工件4置于工作液6中，所述盘型电极5位于所述工件4上方的工作液6中，所述工件4和盘型电极5通过导线与电源1连接。加工时气泡2从加工窗口溢出。所述盘型电极包括旋转面51和固定在旋转面上的连接轴53组成，所述旋转面51设置有中央出液口52，所述中央出液口52连通于所述连接轴53的内腔。所述中央出液口52直径为盘型电极外圆直径的0.1-0.12倍。盘型电极的旋转面的外圆面积为待加工面积的0.10-0.02倍，最大直径不超过20CM，最小不小于5CM。

所述盘型电极5包括旋转面为圆形，其直径10cm到2cm之间。优选的，盘型电极5与工件4表面距离为200-400μm。其中，所述盘型电极的旋转面51下表面与工件4间的距离为掩膜厚度再加上16-29um。优选的，所述盘型电极旋转面51下表面与工件间的距离为掩膜厚度再加上20um，这样有利于工作液更新，提高加工精度。

盘型扫描电极掩膜微电解放电加工方法，包括工件4、盘型电极5和工作液6，所述工件4的加工表面覆盖掩膜3，所述掩膜3上设置有加工窗口，所述工件置于工作液6中，所述盘型电极5位于所述工件4上方的工作液中，所述工件4和盘型电极5通过导线与电源1连接，所述盘型电极5在工作液中自转，并且所述盘型电极5相对于所述工件做相对整体转动。其中，如图3所示，所述盘型电极整体转动的转速V2为5-20r/min。优选的，所述盘型电极整体转动的转速V2为10r/min。其中，所述盘型电极自转的转速V1为1500-5000r/min，优选的，自转的转速V1为3000r/min。

本发明通过让工具电极运动，让工具电极参与加工的区域一直变化，从而使加工局域的间隙一直稳定，有效的克服电火花会对工具电极有损耗，而这损耗会引起极间间隙变化，不稳定等缺陷。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明构思在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的技术方案，均应该在由本权利要求书所确定的保护范围之中。