微半环凹模阵列式研抛方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超精密加工领域，涉及一种微半环凹模阵列式研抛方法及装置。
【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和更高的战术级精度，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(chemical vapor 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硅材料谐振器。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:(1)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式研抛方法及装置。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0005]—种微半环凹模阵列式研抛方法，所述研抛方法包括如下步骤:
[0006]1)制作超精密高一致性研抛模
[0007]所述研抛模包括工具连杆、定位基板、连接胶体、限位挡圈、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)超精密高一致性研抛模与衬底片之间充满研抛液，研抛液所含磨粒的粒度尺寸为纳米级，研抛模在衬底片上方微小距离内做高频微细超声振动，超声振动激发研抛液内的磨粒高速冲击衬底片，根据材料去除的情况，研抛模在Z方向向下做设定速度的进给运动，在磨粒冲击、超声空化、研抛模锤击、研抛模刮擦复合作用下，实现微半环凹模阵列的材料去除。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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；
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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；
[0015]或者是:所述精密球体采用陶瓷球体。
[0016]所述研抛液采用极低浓度的HNA溶液，保证HNA溶液在常温条件下对工件材料的腐蚀速度低于2-3 μ m/min，利用蘸有HNA溶液的微小弹性研抛模具，对加工创成的微半环凹模阵列中的每一个微半环凹模进行短暂抛光，可以迅速提高凹模表面粗糙度。
[0017]—种微半环凹模阵列式研抛装置，包括床身、Z方向主进给机构、Z方向微动进给机构、微细超声振动装置、可调微细超声波发生器、工具连接装置、超精密研抛模、研抛液进给和循环系统、传感器连接板、力传感器和XY工作台，所述Z方向主进给机构安装在床身上，所述Z方向微动进给机构安装在所述Z方向主进给机构上，所述Z方向微动进给机构与微细超声振动装置连接，所述微细超声振动装置的控制端与所述可调微细超声波发生器连接，所述微细超声振动装置的动作端通过工具连接装置所述超精密研抛模连接，所述超精密研抛模的下方布置XY工作台，所述超精密研抛模与XY工作台之间为加工工位，所述加工工位上安装所述研抛液进给和循环系统，所述研抛液进给和循环系统底部安装传感器连接板，所述传感器连接板与力传感器连接；
[0018]所述研抛模包括工具连杆、定位基板、连接胶体、限位挡圈、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。
[0019]所述装置还包括工作平台、计算机控制系统和配电系统，所述床身安装在所述工作平台上，所述Z方向主进给机构、Z方向微动进给机构、可调微细超声波发生器、力传感器和XY工作台均与所述计算机控制系统连接，所述可调微细超声波发生器与所述配电系统连接。
[0020]本发明的技术构思为:通过超精密阵列研抛模的微超声振动，激发研抛模和微凹模衬底工件(单晶硅、蓝宝石等功能晶体)之间的研抛液中的纳米级磨粒，高速冲击凹模衬底并伴随超声空化、研抛模刮擦、锤击等复合作用，对衬底工件进行材料去除，大幅提升微半环凹模的加工效率，保证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，对加工完成的凹模可采用柔性体化学试剂抛光，实现纳米级表面粗糙度。
[0021]本发明的有益效果主要表现在:高形状精度、低表面粗糙度、高形状一致性、高表面质量、高效率。
【附图说明】
[0022]图1是微半环凹模阵列式研抛方法的原理图。
[0023]图2是阵列研抛模的结构图。
[0024]图3是研抛模装配的装配示意图。
[0025]图4是微半环凹模阵列式研抛装置的结构示意图。
[0026]图5是微半环凹模阵列式研抛装置的结构示意图和原理图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0028]参照图1?图5，一种微半环凹模阵列式研抛方法，所述研抛方法包括如下步骤:
[0029]1)制作超精密高一致性研抛模
[0030]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；
[0031]2)超精密高一致性研抛模与衬底片之间充满研抛液，研抛液所含磨粒的粒度尺寸为纳米级，研抛模在衬底片上方微小距离内做高频微细超声振动，超声振动激发研抛液内的磨粒高速冲击衬底片，根据材料去除的情况，研抛模在Z方向向下做设定速度的进给运动，在磨粒冲击、超声空化、研抛模锤击、研抛模刮擦复合作用下，实现微半环凹模阵列的材料去除。
[0032]本实施例中，微半环凹模阵列，在一定厚度的晶体材料(单晶硅、蓝宝石、红宝石、碳化硅)衬底片上，通过材料去除形成的微半环凹模，几何形状多为球冠，但不限于球冠，几何外形最大截面直径(或最大截面积上两点最大距离)范围为0.2mm至10mm，若凹模为球冠形结构，要求具有极佳的形状精度(球度)，凹模边缘位于衬底上表面，边缘半径变化量Λ R与边缘半径R之间的比值尽可能趋近于0，同一尺寸的不同凹模之间形状具有一致性。
[0033]为实现这种微半环凹模的阵列式研抛，其原理为:自制超精密高一致性研抛模与衬底片之间充满研抛液，研抛液所含磨粒的粒度尺寸为纳米级，研抛模在衬底片上方微小距离(一般为100微米以内)内做高频微细超声振动，超声振动激发研抛液内的磨粒高速冲击衬底片，根据材料去除的情况，研抛模在Ζ方向向下做一定速度的进给运动，在磨粒冲击、超声空化、研抛模锤击、研抛模刮擦等复合作用下，实现微半环凹模阵列的材料去除。由于研抛模为阵列式精密球体组成，精密球体具有高的形状精度和高几何形状一致性以及高表