一种微半环凹模阵列微细超声分级研抛方法
【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微细超声分级研抛方法。
【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(chemi cal vapordepOSit1n，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微细超声分级研抛方法。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0005]—种微半环凹模阵列微细超声分级研抛方法，所述研抛方法包括如下步骤:
[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]采用阵列微细工具，微细工具研抛模与衬底片之间充满研抛液，研抛液内包含微细磨粒，研抛模在衬底片上方微小距离内做高频微细超声振动并沿着Z方向向下进给，XY平台配合加工要求带动工件运动，先去除一层材料，之后，XY平台继续带动工件运动，Z轴继续向下进给，使得轨迹点在XY平面的投影内收，再去除下一层材料，依此类推，直至加工出具有阶梯递进的和加工形状及其相似的微凹模阵列；
[0010]3)第二级研抛
[0011]精密球阵列研抛模沿Z向通过两级进给向下运动，协同微细超声振动，激发研抛液内的磨粒高速冲击衬底片，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，此级材料去除属于脆性去除；
[0012]3)第三级研抛
[0013]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为塑性材料去除;
[0014]Z轴的两级向下进给运动，以及精密球阵列研抛模的微细超声振动，采用纳米级磨粒，对微凹模进行修形和降低表面粗糙度。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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；
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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；
[0021]或者是:所述精密球体采用陶瓷球体。
[0022]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_3ym/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。
[0023]本发明的技术构思为: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、研抛模刮擦、锤击等复合作用，对衬底工件进行材料去除，研抛基本原来如图1所示。采用三级分级研抛，第一级研抛采用阵列微细工具，该工具采用电火花等设备可在线对磨损的微细工具进行修形，实现微凹模阵列材料的阶梯性近似去除，通过第一级研抛，可以加工出形状精度较高的微凹模，但第一级研抛创成还不能满足微凹模阵列的形位要求。对第一级研抛后的半成品微半环凹模阵列，进行第二级研抛，第二级研抛采用自制的精密球阵列研抛模，通过所述的微细超声流体研抛的方法实现微凹模阵列的形状构型，通过第二次研抛，微凹模阵列的位置和形状精度基本可以满足要求。采用同样的自制精密球阵列研抛模进行第三次研抛，第三次研抛需要对形状精度进行修正和凹模表面粗糙度的降低，