[發明專利]一種平板間微納液膜厚度測試調平方法和裝置

有效

• 申請號: 201210352938.0
• 申請日: 2012-09-21
• 公開（公告）號: CN102922066A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 周平;康仁科;郭東明;單坤;鄒拴慶
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B23H3/00
• 分類號: B23H3/00;G01B21/08;G01N11/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 侯明遠

技術領域

本發明屬于特種加工技術領域，涉及電化學加工中工具電極和工件之間微納液膜厚度的測試調平方法和裝置。

背景技術

電化學加工是特種加工的一個重要分支，在表面的納米精度加工和微納尺度結構加工方面具有非常廣泛的應用前景。在電化學加工中工具電極和工件之間的距離對加工效率和精度的影響非常顯著，因此加工過程中對工具電極和工件之間的間隙有著嚴格的要求，要求控制到微米甚至納米尺度的均勻間隙。隨著納米技術的日益發展，對于納米制造技術的批量化生產能力要求逐漸提高，為此，在表面納米精度和表面微納結構的電化學加工中要求增加工具電極面積，并在加工過程中實時控制大面積工具電極和工件之間的平行間隙。目前常用的基于電容法、電感法等間隙測量方法在電學特性較為復雜的電化學溶液環境中難以實現，并且要實現膜厚均勻性測量要至少使用三個以上傳感器。基于電信號或力信號的測試方法需要先通過工具電極和工件的接觸來識別相對位置，之后再分離來控制工具電極和工件表面之間的間隙，這類方法容易導致工具電極或工件表面產生損傷，并且速度慢、效率低，無法測試膜厚均勻性，加工過程中難以實現液膜厚度的實時測試和控制。

發明內容

本發明的目的在于提供一種電化學加工過程中測試和調平工具電極和工件之間微納液膜厚度的方法，解決目前電化學加工中由于電解液電學特性復雜和透明度差而難以實現非接觸式測量，若采用接觸式測量則容易導致表面破壞和測試效率低等問題。

本發明的技術方案是：測試和調平步驟為：固定力傳感器5于微納復合進給機構6上，固定工具電極7于力傳感器5上；固定電解池底板2于角度微調平臺1上，固定工件4于電解池底板2上；通過顯微放大觀察裝置8和角度微調平臺1初步調整工件4表面和工具電極7表面的平行度；安裝電解池側壁3，注入電解液，利用微納復合進給機構6使工具電極7靠近工件4表面；利用微納復合進給機構6使工具電極7相對工件4作給定幅值和頻率的簡諧振動，獲取力傳感器5上的交變力信號；控制工具電極7運動一定的位移，重復上一個步驟，測得交變力信號；控制工件4旋轉運動一定的傾角增量，在工具電極7進行同樣幅值和頻率簡諧振動條件下測得交變力信號；將測得的四個交變力信號輸入計算機并基于擠壓膜方程進行分析計算，獲得工具電極7和工件4表面之間的距離以及工具電極的相對傾角；調平工件和工具電極的平行度后，通過測試兩個不同膜厚位置條件下的擠壓膜阻力并利用擠壓膜模型計算并校準液體粘度；重復上述測試和調平過程進一步提高測試和調平精度。

平板間微納液膜厚度測試調平裝置包括隔振臺10、力傳感器5、電解池底板2、電解池側壁3、顯微放大觀察裝置8、宏微納復合進給機構6和角度微調平臺1組成。在隔振臺10上安裝有角度微調平臺1，裝有工件4的電解池底板2裝夾到角度微調平臺1上，支座9上安裝宏微復合進給機構6，工具電極7通過力傳感器5連接到宏微納復合進給機構6上，在防振臺10上水平面的兩個正交方向上裝有兩個顯微放大觀察裝置8。

本發明的效果和益處是：結構簡潔、操作簡單；測量不受電解液透明度和導電性的影響；測量不需要預先精確標定電解液粘度，實時測量過程中不受電解液粘度和溫度變化的影響；工具電極和工件在測試過程中不發生接觸；快速得到膜厚數據并調平膜厚。

附圖說明

附圖是平行間隙液膜厚度測試裝置結構的示意圖。

圖中：1角度微調平臺；2電解池底座；3電解池側壁；4工件；5力傳感器；6宏微復合進給機構；?7工具電極；8顯微放大觀察裝置；9支座；10隔振臺。

具體實施方式

以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施方式。

如圖所示，在隔振臺10上安裝有角度微調平臺1，支座9上安裝宏微復合進給機構6，工具電極7通過力傳感器5連接到宏微復合進給機構6上。在進行電化學加工時，先將工件4固定到電解池底板2上，然后整體裝夾到角度微調平臺1上，調整工具電極、工件和角度微調平臺的水平位置，使三者在水平面的投影中心重合。以工件中心為坐標原點，水平面內定義兩個正交的坐標軸，繞兩個坐標軸的傾角分別為俯仰角和側傾角，在兩個坐標軸上各安裝一個顯微放大觀察裝置8，在顯微放大觀察裝置8的輔助下，通過角度微調平臺1將工件4表面調整至和工具電極7表面基本平行，安裝電解池側壁3，加入電解液，利用微納復合進給機構6使工具電極7靠近工件表面至小于50微米，將當前位置記為測量位置。測試時，利用宏微復合進給機構6的納米精度進給機構控制工具電極7以小于估計膜厚十分之一的幅值作低頻連續振動，獲取力傳感器5的信號，即擠壓膜阻力，輸入計算機保存，利用納米精度進給機構控制工具電極7運動給定位移，作同樣振幅和頻率的振動，獲取擠壓膜阻力，工具電極7回到測量位置，分別利用角度微調平臺1控制工具電極7運動給定俯仰角和側傾角增量，控制工具電極作同樣振幅和頻率的振動，獲取兩個擠壓膜阻力信號，基于擠壓膜模型并運用非線性方程數值解法對所測得的四個交變力信號進行分析計算，獲得坐標原點的液膜厚度、工具電極7和工件4的相對俯仰角和側傾角，根據測得的俯仰角和側傾角值調平液膜，測量兩個不同膜厚位置的擠壓膜阻力，分析獲得液體粘度，重復整個測試和調平過程，實現高平行度的大面積微納液膜厚度的高精度測試和控制。