[發明專利]一種微半環凹模陣列化學-機械分級復合制造方法

在審

• 申請號: 201510802005.0
• 申請日: 2015-11-19
• 公開（公告）號: CN105364640A
• 公開（公告）日: 2016-03-02
• 發明（設計）人: 趙軍;袁巨龍;杭偉
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: B24B1/04
• 分類號: B24B1/04;B24B1/00
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

技術領域

本發明屬于超精密加工領域，尤其是一種微半環凹模陣列化學- 機械分級復合制造方法。

背景技術

半球諧振陀螺是一種新型慣性傳感器，與機械陀螺相比具有諸多 優點。宏觀尺度的半球諧振陀螺精度已達到慣性級別，開始應用于航 空、兵器和空間慣導系統，但由于尺度大導致體積大、質量重、功耗 高，且高度依賴于超精密加工技術，在很大程度上限制了其應用。 MEMS陀螺具有尺寸小、重量輕、功耗低等優點，但現有的MEMS 陀螺無法達到慣性級精度，不能應用在精度要求高的場合，例如在GPS 盲區為飛行器提供短程導航。MEMS陀螺精度不高的主要原因在于： 現有的MEMS元件加工方法，如化學腐蝕、刻蝕、光刻轉印等，絕大 部分是2D或2.5D的結構，這些方法加工的元器件質量和材料分布不 均，導致陀螺感應頻率與驅動之間匹配性差，使得MEMS陀螺的精度 受到極大限制。為了提升MEMS陀螺的精度，國內外學者開始致力于 研究3D結構MEMS半球諧振陀螺，這種陀螺最關鍵的部件是沉積在 晶體材料微半環凹模上的高精度微小半球薄膜殼，研究證明基于化學 氣相沉積(chemicalvapordeposition，CVD)的多晶金剛石薄膜諧振器 品質因數遠遠高于同樣結構的硅材料諧振器。然而，CVD微半球殼的 精度依賴其“母體”微半環凹模的形狀精度、表面粗糙度和表面質量。 目前，單晶硅材料微半環凹模的加工方法有：從傳統MEMS的2D和 2.5D結構制造方法擴展而來的三維結構加工方法、微細EDM加工、 微銑削加工、微細超聲分層加工。至今，這些已見報道的加工方法還 無法滿足單晶硅硬脆微半環凹模加工精度和加工效率的要求，主要因 為：(1)傳統的MEMS微加工—濕法化學刻蝕和干法等離子刻蝕等方 法，在從2D結構向3D結構延伸的過程中，都難以擺脫晶體方向和掩 膜材料的選擇性問題，無法加工出具有高度對稱性和材料一致均勻的 微半環凹模，此種方法加工微半環凹模精度差，且效率低。(2)微細電 火花加工(μEDM)微半環凹模，由于放電空間小，要求加工設備的 精度極高，難以制造出形狀精度極高的電極，且工具電極在加工過程 中磨損很快，加工出來的微半環凹模表面質量差，形狀精度不高。(3) 微銑削加工微半環凹模，在材料脆性去除時，由于銑削加工自身的弱 點，導致微半環凹模頂部或者底部經常會出現崩裂、表面及亞表面損 傷，難以滿足加工要求，在采用塑性延展銑削加工時，加工效率和成 品率極低。(4)利用超聲和微細工具分層加工微半環凹模，由于微細工 具的磨損難以準確預測和控制，因而分層進給路徑難以合理規劃，導 致微半環凹模形狀精度較差，且加工效率低。(5)其他的電加工微結構 的方法，如電解加工，受到單晶硅材料導電性的限制，難以用于微半 環凹模的加工。綜上，由于無法加工出高質量的諧振陀螺單晶硅微半 環凹模，至今尚未見報道研制出慣性級別精度的MEMS半球諧振陀 螺。

發明內容

為了克服已有諧振陀螺單晶硅微半環凹模無法實現高形狀精度、 低表面粗糙度、高表面質量、高效率加工的不足,本發明提供了一種高 形狀精度、低表面粗糙度、高表面質量、高效率的微半環凹模陣列化 學-機械分級復合制造方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種微半環凹模陣列化學-機械分級復合制造方法，所述制造方法 包括如下步驟：

1)制作精密球陣列研拋模

所述研拋模包括工具連桿、定位基板和精密球體，工具連桿的上 端與微細超聲發生器相連接，所述工具連桿的下端與定位基板連接， 在定位基板上加工出陣列孔徑，孔徑大小小于精密球體直徑，在孔徑 和精密球體之間充滿粘結劑，球體的一部分嵌入孔內；

2)第一級研拋

采用精密球陣列研拋模，通過化學-機械加工方法實現微凹模陣列 的形狀構型；

在待加工的工件上涂覆A_u/C_r膜，膜厚度在30nm---300nm之間， 用來作為晶體材料表面保護層；在研拋液中加入HNA溶液；

通過精密球陣列研拋模的微細超聲振動，激發研拋模和微凹模襯 底工件之間的研拋液中的微細磨粒高速沖擊微凹模襯底工件，并伴隨 超聲空化、研拋模對工件的刮擦、錘擊復合作用，發生機械性材料去 除，在可控化學腐蝕和微細超聲仿形研拋共同作用下，對襯底工件進 行材料去除，此級材料去除屬于脆性去除和化學腐蝕材料去除；

3)第二級研拋