一种精密电铸系统及控制方法与流程

本发明属于电沉积技术领域，尤其涉及一种精密电铸系统及控制方法。

背景技术：

随着微纳材料、技术的蓬勃发展，微纳米零件、机电系统已广泛应用于航空、航天、生化分析、环境监测、柔性电子等诸多领域，上至7nm制程的计算机芯片等高端器件，下至机械手表中的微小齿轮等生活用品。精密微电铸技术凭借其复制精度高、生产成本低、适用性广等优点，在微结构零件模芯成型方面具有不可比拟的优势。

微结构模芯精密电铸系统是精密微电铸技术实现的保证，根据电铸工艺需求，除电源参数外，需要严格控制电铸液的温度、ph值等关键参数，保证微零件的精密成型。然而，微结构模芯精密电铸设备自动化水平低，可重复性差，导致电铸关键参数控制精度差，影响微结构零件的成型质量。

电铸过程工作温度通常为30-55℃，电铸液加热方式主要有直接加热与水浴槽间接加热。直接加热时，在电铸液中布置加热器，而加热器附近电铸液温度较高，影响电铸液成分与制件成型的稳定性；同时，也将产生温度梯度，影响制件成型的均一性。水浴加热为在水浴槽中布置加热器，间接加热电铸液，可一定程度解决电铸液局部温度偏高的问题，提高电铸液及电铸工艺的稳定性，但无法解决电铸液温度分布不均的问题。电铸液ph值调控手段通常为定时手动检测电铸液ph值，根据检测结果添加缓冲剂硼酸，无法实时监控ph值变化过程，保证ph值始终保持在工作范围内，影响制件的成型质量；同时，可能产生因缓冲剂一次性添加过量导致的ph值超限问题。电铸液在加热环境下较易挥发，成分易发生变化，需补充蒸馏水保证电铸的稳定性；而通常采用定时补水的方式保证电铸液成分的稳定性，但无法实时监控电铸液液位，保证液位始终在工作范围内；同时，直接加水很有可能降低电铸液温度，提高电铸液ph值，超出规定范围，影响成型质量。

电铸液温度、ph值、液位等关键工艺参数直接决定电铸制件的成型质量，而现有控制方式多为参数单独控制、非闭环控制或手动控制；同时，也未考虑参数之间的相互影响，已无法满足精密电铸要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种精密电铸系统及控制方法，以提高精密电铸关键参数的控制精度，提高电铸设备的自动化水平。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种精密电铸系统，包括电铸槽，还包括：

电铸液温度控制模块，包括设置在电铸槽外的水浴槽、用于检测电铸槽内电铸液温度的温度传感器、以及用于加热水浴槽的加热器；

水浴槽水位控制模块，包括使水浴槽内的水循环流动的第一循环管路、用于检测水浴槽水位的第一液位检测器、第二控制阀和储水槽；第二控制阀设置在第一循环管路上，能够处于将第一循环管路接通的第一工作状态，并且能够切换至将储水槽中的水加入到水浴槽内的第二工作状态；第二控制阀连接有加水管，加水管用于将储水槽中的水加入到水浴槽；

电铸液ph值控制模块，包括用于检测电铸槽内电铸液ph值的ph值传感器、缓冲剂储存槽、连接缓冲剂储存槽与电铸槽的缓冲剂加入管路、以及缓冲剂加入管路上设置的第一电磁阀；

电铸槽液位控制模块，包括使电铸槽内的电铸液循环流动的第二循环管路、用于检测电铸槽液位的第二液位检测器、第一控制阀和储液槽；第一控制阀设置在第二循环管路上，能够处于将第二循环管路接通的第一工作状态，并且能够切换至将储液槽中的电铸液加入到电铸槽内的第二工作状态；第一控制阀连接有加液管，加液管用于将储液槽中的电铸液加入到电铸槽；

控制系统，用于接收温度传感器、第一液位检测器、ph值传感器和第二液位检测器的信号，并控制加热器、第二控制阀、第一电磁阀和第一控制阀的工作状态。

进一步的，第一循环管路上设置有第一泵，第二循环管路上设置有第二泵。

进一步的，所述第一控制阀、第二控制阀采用两位三通电磁阀。

进一步的，所述第一液位检测器、第二液位检测器采用液位开关。

进一步的，所述储液槽和储水槽分别设置有加热装置，用于加热储液槽内的电铸液和储水槽内的水。

进一步的，所述储液槽和储水槽分别设置有搅拌装置。

本发明所述精密电铸系统的控制方法，所述电铸槽液位控制模块的控制过程为：

电铸系统正常工作时，第一控制阀处于将第二循环管路接通的第一工作状态；

当第二液位检测器检测到电铸槽内电铸液低于下限，切换第一控制阀至第二工作状态，进入加液周期；

当加液周期结束，切换第一控制阀至第一工作状态，进入加液间歇期；

当加液间歇期结束，温度传感器检测电铸液温度，当温度低于规定下限时，电铸液温度控制模块启动，直至电铸液温度达到上限；

如果电铸液温度在正常范围，ph值传感器检测电铸液ph值，当ph值高于规定上限时，电铸液ph值控制模块启动，直至ph值达到下限；

如果ph值在正常范围时，当电铸槽液位未达到上限时，切换第一控制阀至第二工作状态，进入下一个加液周期；

当电铸槽加液达到液位上限时，切换第一控制阀至第一工作状态。

进一步的，所述电铸液温度控制模块的控制过程为：

当温度传感器检测到电铸液温度低于规定下限时，开启加热器，进入加热周期；

当加热周期结束，关闭加热器，进入加热间歇期；

当加热间歇期结束，如果电铸液温度未达到上限时，开启加热器，进入下一个加热周期；

当任何时候温度达到规定上限时关闭加热器。

进一步的，所述电铸液ph值控制模块的控制过程为：

当ph值传感器检测到电铸液ph值高于规定上限时，开启第一电磁阀，进入缓冲剂添加周期；

当缓冲剂添加周期结束，关闭第一电磁阀，进入缓冲剂添加间歇期；

缓冲剂添加间歇期结束，当ph值在正常范围或高于规定上限时，开启第一电磁阀，进入下一个缓冲剂添加周期。

进一步的，所述水浴槽水位控制模块的控制过程为：

电铸系统正常工作时，第二控制阀处于将第一循环管路接通的第一工作状态；

当第一液位检测器检测到水浴槽内水位低于下限，第二控制阀切换至第二工作状态，进入加水周期；

当加水周期结束，第二控制阀切换至第一工作状态，进入加水间歇期；

当加水间歇期结束，温度传感器检测电铸液温度，当温度低于规定下限时，电铸液温度控制模块启动，直至电铸液温度达到上限；

如果电铸液温度在正常范围，当水浴槽水位未达到上限时，第二控制阀切换至第二工作状态，进入下一个加水周期；

当水浴槽水位达到上限时，切换第二控制阀至第一工作状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过模块化自动控制的方法，考虑控制参数之间的相互影响，形成闭环自动控制，可有效提高精密电铸设备工艺参数的控制精度及设备的稳定性，改善制件的成型质量。同时，通过传感器的自动检测与电磁阀等执行机构的自动控制，可提高电铸设备的自动化水平，省去人工检测、操作环节，有效降低人工成本，使制件加工更加简单、便捷。具体来说：

1、本发明中，电铸液温度控制采用水浴槽加热的方式，可有效提高电铸液的稳定性；增加水浴槽循环和电铸液循环流动，可有效提高电铸液温度分布的均匀性。

2、本发明中，电铸液温度控制采用间歇加热的方式，在加热间歇周期检测电铸液热平衡后的温度，判断加热是否完成，可有效避免因热传导迟滞导致电铸液温度超过上限，提高温度控制精度。

3、本发明中，考虑水浴槽水位对电铸液加热效果的影响以及补水过程对电铸液温度控制精度的影响，水浴槽水位控制采用间歇加水的方式，在加水间歇周期检测电铸液热平衡后的温度，判断是否可以继续加水，可有效避免因一次性加水导致电铸液温度超过下限，提高温度控制精度。

4、本发明中，电铸液ph值控制模块采用自动检测、控制的方式，相较于手动操作，可有效提高电铸系统工作效率、降低成本。同时，电铸液ph值控制采用间歇添加缓冲剂的方式，在间歇周期检测电铸混合均匀后的ph值，判断缓冲剂添加是否完成，可有效避免因缓冲剂一次性添加过量导致的ph值超限，提高ph值控制精度。

5、本发明中考虑电铸槽液位对电铸液稳定性的影响以及补液过程对电铸液温度、ph值的影响，电铸槽液位控制采用间歇加液的方式，在加液间歇周期检测电铸液混合均匀后的温度、ph值，判断是否可以继续加液，可有效避免因一次性加液导致电铸液温度、ph值超限，提高电铸液的稳定性以及温度、ph值控制精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统示意图；

图2为电铸液温度控制模块示意图；

图3为水浴槽水位、循环流动控制模块示意图；

图4为电铸液ph值控制模块示意图；

图5为电铸槽液位、循环流动控制模块示意图。

其中：1、第一泵；2、第一液位检测器；3、阴极装夹模块；4、ph值传感器；5、第二液位检测器；6、温度传感器；7、电铸槽；8、水浴槽；9、缓冲剂储存槽；10、第一电磁阀；11、加热器；12、控制系统；13、第二泵；14、第一两位三通电磁阀；15、储液槽；16、第二电磁阀；17、过滤器；18、第三电磁阀；19、储水槽；20、第二两位三通电磁阀。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

如图1，本发明是一种基于模块化的参数自动精确控制的精密电铸系统，包括电铸液温度控制模块、水浴槽水位控制模块、电铸液ph值控制模块、电铸槽液位/循环流动控制模块、阴极装夹模块与控制系统12。其中，控制系统12输入端接收传感器采集到的参数信号，输出端向系统中的电磁阀、泵和加热器11发出工作信号，实现不同控制模块的切换，准确控制电铸系统的关键参数。

如图2，电铸液温度控制模块包括设置在电铸槽7外的水浴槽8，设置在电铸槽7内用于检测电铸液温度的温度传感器6，以及用于加热水浴槽8的加热器11。通过水浴槽8循环流动，提高水浴槽8温度分布均匀性；通过电铸液循环流动，提高电铸液分布均匀性，提高电铸液温度控制精度。

电铸液温度控制模块采用水浴槽8循环、间歇加热的方式，通过热传导，实现电铸液的加热。设置电铸液温度的上、下限，通过温度传感器6直接检测电铸液温度。当温度低于下限时，水浴槽8间歇性加热，电铸液温度随水温上升而上升，防止因热传导迟滞导致电铸液温度超过上限；当温度达到上限时，水浴槽8停止加热。水浴槽8内部循环，可保证水浴槽8温度均匀，进而保证电铸液温度均匀；水浴槽8具有缓冲作用，防止电铸液直接加热可能出现的温度惯性上升，以及电铸液未加热时的惯性下降，超出电铸液温度的上下限，精确、均匀控制电铸液温度。

如图3，水浴槽水位控制模块包括第一液位检测器2(例如液位开关)、储水槽19、第一泵1、第二两位三通电磁阀20(即第二控制阀)。第一液位检测器2设置在水浴槽8内用于检测水位。第一循环管路的两端分别连接水浴槽8底部与上部，第一循环管路上设置第一泵1和第二两位三通电磁阀20(分别连接一个进口和出口)，第二两位三通电磁阀20的第二个进口连接加水管，加水管通入到储水槽19。第一循环管路上设置排水支路，排水支路上设置第三电磁阀18，用于试验完毕后进行排水至储水槽19。

电铸过程中，水浴槽8加热会加快水的蒸发，水位降低，影响电铸液温度控制的稳定性。而水浴槽水位控制模块，可保证水浴槽8水位的稳定性。设置水位的上、下限，通过第一液位检测器2检测水浴槽8的水位信号。当水位达到下限时，水浴槽8内开始间歇加水；通过控制适当的间隙时间，保证水浴槽8与电铸槽7之间达到热平衡，若电铸液温度超出工作范围，则温度自动控制启动，直至温度符合要求，开始下一次间歇加水；当加水至上限时，停止加水，精确控制水浴槽8的液位。

如图4，电铸液ph值控制模块包括设置在电铸槽7内的ph值传感器4、缓冲剂储存槽9，缓冲剂储存槽9底部与电铸槽7上部通过缓冲剂加入管路连接，缓冲剂加入管路上设置第一电磁阀10。

电铸液ph值控制模块采用ph值自动检测、缓冲剂自动投放的方式，实现ph值的自动控制。设置电铸液ph值的上、下限，通过ph值传感器4检测电铸液的ph值信号。当ph值达到上限时，电铸槽7内间歇性添加缓冲剂(例如硼酸)，通过电铸液循环流动模块使缓冲剂在电铸液中混合均匀，保证ph值检测精度，防止因缓冲剂一次性添加过量导致的ph值超限；当ph值加至下限时，停止添加缓冲剂，精确控制电铸液ph值。

如图5，电铸槽液位/循环流动控制模块包括第二液位检测器5(例如液位开关)、第二泵13、第一两位三通电磁阀14(即第一控制阀)、储液槽15。第二液位检测器5设置在电铸槽7内，用于检测电铸液的液位。电铸槽7上部和底部之间连接有第二循环管路，第二循环管路上设置第二泵13和第一两位三通电磁阀14(分别连接一个进口和出口)，第一两位三通电磁阀14的第二个进口连接加液管，加液管通入到储液槽15。第二循环管路上设置排液支路，排液支路设置第二电磁阀16，用于试验完毕后进行排液至储液槽15。第二循环管路与电铸槽7底部连接处设有过滤器17。

设置电铸槽7液位的上、下限，通过第二液位检测器5检测电铸槽7内电铸液的液位信号。当液位降至下限时，电铸槽7内开始间歇加液；通过控制适当的间隙时间，保证电铸液成分混合均匀，若温度、ph值超出工作范围，则温度、ph值自动控制启动，直至温度、ph值符合要求，开始下一次间歇加液；当加液至上限时，停止加液，进入电铸液循环流动模式，从而在保证电铸液成分、参数稳定前提下，精确控制电铸槽7液位。

电铸液循环流动不同于空气搅拌或磁力搅拌，在提高电铸液温度分布均匀性，加速阴极表面气泡溢出的同时，可循环过滤电铸过程中产生的杂质，保证沉积的质量。

还可以在储液槽15、储水槽19外面分别配置加热装置(例如加热器、水浴加热)，将储液槽15内的电铸液、储水槽19内的水加热到所设置的电铸液的温度范围内。还可以在储液槽15、储水槽19内设置搅拌装置。这样将加热后的水再补充到电铸槽7、水浴槽8中，可以进一步的避免温度的波动。

阴极装夹模块3用于实现阴极的夹持、旋转与往复运动，可以采用现有的电极装夹运动装置。

本发明主要采用模块化自动控制的方法，通过设计不同模块精确控制对应参数，解决电铸装置自动化水平低、参数控制精度差的问题；同时，通过发明不同模块之间的协调方法，最终解决电铸液温度加热不均且控制精度差、电铸液ph值控制精度差的问题。

具体来说，本发明各模块控制过程如下：

1)电铸液温度控制模块：

a)电铸系统正常工作时，温度传感器6持续检测电铸槽7内电铸液的温度；

b)当温度传感器6检测到电铸液温度低于规定下限时，检测信号输入控制系统12，经程序控制，输出控制信号，开启加热器11，水浴槽8进入加热周期；

c)当水浴槽8加热周期结束，关闭加热器11，进入加热间歇期，水浴槽8与电铸槽7达到热平衡；在加热间歇期内，当电铸液温度达到上限时，执行d)流程；当加热间歇期结束，当电铸液温度未达到上限时，开启加热器11，水浴槽8进入下一个加热周期，再次执行c)流程；电铸液加热过程中(加热周期内)，当温度达到规定上限时，直接执行d)流程；

d)电铸液温度上升至规定上限，检测信号输入控制系统12，经程序控制，输出控制信号，关闭加热器11；

e)当电铸液温度再次低于规定下限时，执行b)流程，完成电铸液温度的自动控制。

2)水浴槽水位、循环流动控制模块：

a)电铸系统正常工作时，第三电磁阀18关闭，第二两位三通电磁阀20处于左位，泵开启，水浴槽8处于循坏流动状态，保证水浴槽8温度混合均匀；

b)当第一液位检测器2检测到水浴槽8内水位低于开关下限，将检测信号输入控制系统12，经程序控制，输出控制信号，切换第二两位三通电磁阀20至右位，水浴槽8进入加水周期；

c)当水浴槽8加水周期结束，切换第二两位三通电磁阀20至左位，进入加水间歇期，水浴槽8循环保证水浴槽8温度均匀；

d)当加水间歇期结束，温度传感器6检测电铸液热平衡后的温度，当温度在正常范围时，执行e)流程；当温度低于规定下限时，电铸液温度控制模块启动，直至电铸液温度达到上限；

e)当水浴槽8加水达到水位上限时，第二液位检测器5将检测信号输入控制系统12，经程序控制，执行f)流程；当水浴槽8水位未达到上限时，切换第二两位三通电磁阀20至左位，进入下一个加水周期，并执行c)流程。

f)当水挥发减少，低于第二液位检测器5下限时，执行b)流程，完成水浴槽液位的自动控制。

3)电铸液ph值控制模块：

a)电铸系统正常工作时，ph值传感器4持续检测电铸液的ph值；

b)当ph值传感器4检测到电铸液ph值高于规定上限时，检测信号输入控制系统12，经程序控制，输出控制信号，开启第一电磁阀10，进入缓冲剂添加周期；

c)当缓冲剂添加周期结束，关闭第一电磁阀10，进入缓冲剂添加间歇期，电铸槽7循环保证电铸液ph至混合均匀；

d)缓冲剂添加间歇期结束，ph值传感器4检测电铸液混合均匀后的ph值，当ph值在正常范围或高于规定上限时，开启第一电磁阀10，进入下一个缓冲剂添加周期，并执行c)流程；当ph值低于规定下限时，执行e)流程；

e)当电铸液ph值再次高于规定上限时，执行b)流程，完成电铸液ph值的自动控制。

4)电铸槽液位、循环流动控制模块：

a)电铸系统正常工作时，第二电磁阀16关闭，第一两位三通电磁阀14处于右位，第二泵13开启，电铸槽7处于循坏流动状态；

b)当第二液位检测器5检测到电铸槽7内电铸液低于开关下限，并将检测信号输入控制系统12，经程序控制，输出控制信号，切换第一两位三通电磁阀14至左位，电铸槽7进入加液周期。

c)当电铸槽7加液周期结束，切换第一两位三通电磁阀14至右位，进入加液间歇期，电铸槽7循环保证电铸液温度、ph值均匀；

d)当加液间歇期结束，温度传感器6检测电铸液热平衡后的温度，当温度在正常范围时，执行e)流程；当温度低于规定下限时，电铸液温度控制模块启动，直至电铸液温度达到上限。

e)ph值传感器4检测电铸液混合均匀后的ph值，当ph值在正常范围时，执行f)流程；当ph值高于规定上限时，电铸液ph值控制模块启动，直至ph值达到下限。

f)当电铸槽7加液达到液位上限时，第二液位检测器5将检测信号输入控制系统12，经程序控制，执行g)流程；当电铸槽7液位未达到上限时，切换第一两位三通电磁阀14至左位，进入下一个加液周期，并执行c)流程。

g)当电铸槽7加液达到液位上限时，第二液位检测器5将检测信号输入控制系统12，经程序控制，输出控制信号，切换第一两位三通电磁阀14至右位，进入电铸液循环流动模式。

h)当电铸液挥发减少，低于第二液位检测器5下限时，执行b)流程，完成电铸槽液位的精确控制。

本发明对不同的关键参数设置对应的控制模块及实现机构，提高参数控制精度；考虑不同参数之间的影响，整合模块接口，进一步提高了参数的控制精度。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。