专利名称：分层微细电铸加工方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明的分层微细电铸加工方法及装置，属于电铸加工领域。
背景技术：
微机电系统(简称MEMS)是当今科学技术最重要的进展，也是世界科学的主要研究热点。微细制造技术是MEMS技术的基础和核心，直接关系到MEMS产品的生成。随着MEMS技术的发展，对具有三维空间的微细结构和具有高深宽比微细结构的需求增多，如喷墨打印头喷嘴、惯性测量部件、磁性微系统等。美国Microfabrica公司发明的EFAB技术是制造具有高深宽比三维复杂微细结构的最重要技术之一，已成功制备了多种三维微细结构。但该技术制造的微细结构只能是单金属材料，这限制了它的应用范围。另外该技术电铸过程条件十分恶劣，仅发生在一个狭窄封闭空间内，无法施加外部措施促进阴极附近的物质交换，强制吸附气泡排出，造成电铸速度低，产品也容易出现针孔等缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对EFAB技术的不足，提供一种获得高质量、零件材料种类多、电铸速度高的具有高深宽比三维复杂微细电铸加工方法及装置。
一种分层微细电铸，其特征在于包括下列步骤(1)、制作带有多个贯穿图案的独立掩膜板，贯通图案用于限制电铸范围，根据欲成型的三维微细零件的结构二维分解设计；(2)、将阳极置于电铸槽中，将独立掩膜板支撑于阳极上方并与其留有一段间隙，使阳极、独立掩膜板浸在电铸液中；(3)、进行电铸加工，电铸加工过程如下(a)、开始电铸时，使得阴极与独立掩膜板的贯穿图案紧密贴合，然后进行电铸，当电铸产物达到设定厚度后，电铸停止，使阴极相对独立掩膜板做背离运动离开电铸区；(b)、然后使阴极底面和电铸产物表面涂覆一层厚度大于或等于电铸产物厚度的金属材料作为涂覆层，使电铸产物被埋入涂覆层内；(c)、然后对涂覆层底面进行平面加工，形成一个平面，使电铸产物裸露出来；(d)、使阴极回到电铸区，使电铸产物底面与独立掩膜板的贯穿图案紧密贴合，继续电铸加工，循环电铸、电铸产物涂覆和涂覆层平面加工直至制造出整个三维微细零件，其中仅与单个贯穿图案贴合以实现单件加工，同时与多个贯穿图案贴合，以实现批量生产；(4)、去除涂覆层材料，获得所需的三维微细零件。
通过数控装置使电铸槽和阴极能产生x，y，z方向的相对运动。
一种分层微细电铸加工装置，其特征在于由以下部分组成(1)、包含机床本体、数控工作台、z轴的能实现三自由度移动的数控机床；(2)、由安装在数控工作台上的电铸槽，以及置于电铸槽中的阳极、通过掩膜板支架支撑在电铸槽中横跨在阳极上方且与阳极有一定间隙的带有多个贯通图案的独立掩膜板，安装在z轴上的阴极，电铸液，电铸电源组成的电铸系统；(3)、安装在数控工作台上的内有涂覆材料的涂覆槽；(4)、安装在数控工作台上，由电机、铣刀组成的铣削装置。
可见，本发明的方法及装置特点是1、作为沉积屏蔽的掩膜板具有贯穿通道，使得电铸不再局限在一个狭窄封闭空间内，电铸时阴极附近物质交换更容易，电铸产品质量显著提高，电铸产品材料也不再局限于单金属，可以是合金、也可以是金属基复合材料；2、涂覆时既可以采用电镀，也可以采用低熔点合金涂覆，根据具体情况而定，扩大了该技术的适用性。另外，从理论上讲，电铸制造的微细结构深宽比是没有限制的，可以非常大，达到数百。因此，利用本发明所制造的微细三维金属结构具有三维复杂结构，深宽比大，质量好，材料可选择性多，电铸速度高。
图1是分层微细电铸加工装备整体结构示意图。
图2是掩膜板制造过程示意图。其中图2(a)是光刻之后的掩膜板；图2(b)是刻蚀之后形成的具有贯穿图案的独立掩膜板。
图3是分层微细电铸制造加工过程示意图。其中图3(c)是微细电铸过程；图3(d)是电铸结束后阴极和电铸产物；图3(e)在阴极和电铸产物表面涂覆金属材料；图3(f)平面铣削涂覆层后露出电铸产物；图3(g)再次微细电铸过程；图3(h)电铸、涂覆及涂覆层底面平面化加工多次循环后制造的涂覆层与三维微细零件；图3(i)去除涂覆层材料后获得的三维微细零件。
图1中标号名称1、Z轴电机，2、机床本体，3、Z轴，4、阴极安装夹具，5、电铸液，6、掩膜板支架，7、阴极，8、独立掩膜板，9、阳极，10、涂覆区，11、铣刀，12、电机，13、数控工作平台，14、电铸电源。
图2中的标号名称15、光刻胶，16、基板。
图3中的标号名称17、电铸产物，18、涂覆层，19，三维微细零件具体实施方式
根据图1所示，本发明的分层微细电铸加工装置，由以下部分组成(1)、包含机床本体2、数控工作台13、z轴3的能实现三自由度移动的数控机床；(2)、由安装在数控工作台13上的电铸槽，以及置于电铸槽中的阳极9，通过掩膜板支架6支撑在电铸槽中横跨在阳极9上方且与阳极有一定间隙的带有多个贯通图案的独立掩膜板8，安装在z轴3阴极安装夹具4上的阴极7，电铸液5，电铸电源14组成的电铸系统；(3)、安装在数控工作台上的内有涂覆材料的涂覆槽10；(4)、安装在数控工作台3上，由电机12、铣刀11组成的铣削装置。
根据图2和图3所示，本发明中的独立掩膜板8是具有贯穿通道的独立零件，支撑在阳极9上方，并与阳极9留有一定间隙。这样，显著改善了微细电铸中的流场状况，使得电铸速度增大，电铸质量提高，可以电铸制造多种材料的三维复杂微细结构。阴极涂覆可以实施两个技术的一种，一是电镀，二是低熔点合金涂覆。
图2所示的是掩膜板制造过程示意图，在基板16上涂覆光刻胶15，经过光刻，形成了图2(a)所示的图形，对基板裸露部分进行刻蚀，可以采用物理刻蚀，也可以采用化学刻蚀，将基板刻穿，形成图2(b)所示图形。将这时的光刻胶15与基板16一体结构称之为独立掩膜板8。用这个独立掩膜板8作为掩膜，进行微细电铸。其特点是电铸区域与整个电铸槽连通，可以大幅改善电铸条件，使得电铸质量显著提高，电铸材料种类明显增多。
下面结合图1、图2和图3说明本发明的方法，实施过程依次经过以下几个步骤1，按照几何形状，综合考虑光刻和电铸工艺的具体要求，对三维微细结构进行分层处理，将三维微细结构分成一系列二维结构；2、参考图2(a)，将光刻胶15涂覆在基板16，并光刻，使基板上出现1中所分的那些二维结构，可以是一组，也可以是多组；3.参考图2(b)，对基板16的裸露部分进行刻蚀，刻穿后的基板16与光刻胶15一体结构称为独立掩膜板8，作为微细电铸时的掩膜；4.参考图1及图3(c)，将电铸阴极7随Z轴3向下运动，直至与掩膜板支架6支撑的掩膜板8紧密贴合。阴极小于掩膜板尺度，紧密贴合后仅有制造三维微细金属零件要求的一个或者多个贯穿图案出现在阴极7表面；出现一个贯穿图案用于单件制造，出现多个贯通图案用于批量制造。
5.参考图1及图3(d)，接通电铸电源14，电铸开始，经过设定的一段时间，电铸产物17达到预定厚度后，电铸停止；6、参考图1及图3(e)，Z轴3向上运动，阴极7离开电铸区，数控工作台13作X、Y轴方向运动，阴极7到达涂覆区10。阴极7开始涂覆，涂覆层18厚度要大于电铸层17厚度，达到预定厚度后，涂覆停止；7.参考图1及图3(f)，Z轴3向上运动，阴极7离开涂覆区10，数控工作台13作X轴方向运动，阴极7到达铣削区。Z轴3向下运动到预定位置，开动铣刀11，铣削阴极7上涂覆层18表面，使得电铸产物17裸露，并保持预定厚度(根据三维微细零件具体确定)；8.参考图1及图3(g)，Z轴3向上运动，阴极7离开铣削区，数控工作台13作X、Y轴方向运动，阴极7再次到达电铸区。控制Z轴3和数控工作台13运动，使得涂覆层18底面与独立掩膜板8部分紧密贴合。贴合的位置由三维微细结构的分层处理步骤决定，可以贴合在原来贴合的位置，也可以贴合新的位置(如图3e)；9.重复电铸-涂覆-铣削过程，直至完成预定形状电铸，这时的三维微细零件19夹杂在涂覆层18中；10.通过加热(低熔点合金涂覆时采用)或化学刻蚀方法(电镀时采用)，去除涂覆层材料18，获得三维微细结构19。
权利要求
1.一种分层微细电铸，其特征在于包括下列步骤(1)、制作带有多个贯穿图案的独立掩膜板(8)，贯通图案用于限制电铸范围，根据欲成型的三维微细零件(19)的结构二维分解设计；(2)、将阳极(9)置于电铸槽中，将独立掩膜板(8)支撑于阳极(9)上方并与其留有一段间隙，使阳极(9)、独立掩膜板(8)浸在电铸液(5)中；(3)、进行电铸加工，电铸加工过程如下(a)、开始电铸时，使得阴极(7)与独立掩膜板(8)的贯穿图案紧密贴合，然后进行电铸，当电铸产物(17)达到设定厚度后，电铸停止，使阴极(7)相对独立掩膜板(8)做背离运动离开电铸区；(b)、然后使阴极(7)底面和电铸产物(17)表面涂覆一层厚度大于或等于电铸产物(17)厚度的金属材料作为涂覆层(18)，使电铸产物(17)被埋入涂覆层(18)内；(c)、然后对涂覆层(18)底面进行平面加工，形成一个平面，使电铸产物(17)裸露出来；(d)、使阴极(7)回到电铸区，使电铸产物(17)底面与独立掩膜板(8)的贯穿图案紧密贴合，继续电铸加工；循环电铸、电铸产物涂覆和涂覆层底面平面加工直至制造出整个三维微细零件(19)；其中仅与单个贯穿图案贴合以实现单件加工，同时与多个贯穿图案贴合，以实现批量生产；(4)、去除涂覆层材料，获得所需的三维微细零件(19)。
2.根据权利要求1所述的分层微细电铸加工方法，其特征在于通过数控装置使电铸槽和阴极(7)能产生x，y，z方向的相对运动。
3.根据权利要求2所述的分层微细电铸加工方法，其特征在于所述的制作独立掩膜板(8)这一步骤，是先将光刻胶(15)涂覆基板(16)上，利用光源将掩膜板上的图形转移到光刻胶(15)上，经显影形成具有特定镂空图案的屏蔽基板，再将基板裸露部分完全刻蚀掉实现的。
4.根据权利要求3所述的分层微细电铸加工方法，其特征在于所述的基板裸露部分刻蚀这一步骤，是采用化学刻蚀方法或采用物理刻蚀方法。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的分层微细电铸加工方法，其特征在于所述的使阴极表面涂覆一层厚度大于或等于电铸厚度的涂覆层(18)这一步骤，是通过使阴极相对运动到涂覆区(10)，并浸入到涂覆液中实现的。
6.根据权利要求5所述分层微细电铸加工方法，其特征在于所述的涂覆是采用电镀方式，或采用低熔点合金涂覆方式。
7.根据权利要求5所述的分层微细电铸加工方法，其特征在于所述的对涂覆层(18)底面进行加工这一步骤，是通过使阴极相对运动到铣削工作区，再铣削涂覆层(18)底面而形成的。
8.根据权利要求7的分层微细电铸加工方法，其特征在于铣削平面采用单刃飞刀铣削工艺。
9.一种分层微细电铸加工装置，其特征在于由以下部分组成(1)、包含机床本体(2)、数控工作台(13)、z轴(3)的能实现三自由度移动的数控机床；(2)、由安装在数控工作台(13)上的电铸槽，以及置于电铸槽中的阳极(9)，通过掩膜板支架(6)支撑在电铸槽中横跨在阳极(9)上方且与阳极有一定间隙的带有多个贯通图案的独立掩膜板(8)，安装在z轴(3)上的阴极(7)，电铸液(5)，电铸电源(14)组成的电铸系统；(3)、安装在数控工作台上的内有涂覆材料的涂覆槽(10)；(4)、安装在数控工作台(3)上，由电机(12)、铣刀(11)组成的铣削装置。
全文摘要
一种分层微细电铸加工方法及装置，属于电铸加工领域。该方法采用分层电铸技术，其特点在于掩膜板为具有多个贯穿图案的独立式，与阳极不接触，电铸时与阴极精密贴和。掩膜限制下的电铸产物阴极沉积、对电铸产物涂覆、对涂覆层进行平面化加工使电铸产物底面露出这三个过程交替进行，循环直至制造出整个三维微细零件，最后，去除涂覆材料获得三维微细零件。本发明由于采用独立式掩膜板，使得分层微细电铸的流场状况大为改善，丰富了电铸材料种类，提高了电铸质量和电铸速度。同时，电铸制造的微细结构深宽比，理论上讲没有限制，可非常大。
文档编号C25D1/16GK1827862SQ20061003940
公开日2006年9月6日 申请日期2006年4月10日 优先权日2006年4月10日
发明者曲宁松, 朱荻, 曾永彬 申请人:南京航空航天大学