[發(fā)明專利]微半環(huán)凹模陣列式研拋方法及裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510804387.0
• 申請日: 2015-11-19
• 公開（公告）號: CN105364641A
• 公開（公告）日: 2016-03-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 袁巨龍;趙軍;杭偉
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B24B1/04
• 分類號: B24B1/04;B24B37/00;B24B37/11;B24B37/34
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務(wù)所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超精密加工領(lǐng)域，涉及一種微半環(huán)凹模陣列式研拋方 法及裝置。

背景技術(shù)

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(yōu)點。宏觀尺度的半球諧振陀螺精度已達(dá)到慣性級別，開始應(yīng)用于航 空、兵器和空間慣導(dǎo)系統(tǒng)，但由于尺度大導(dǎo)致體積大、質(zhì)量重、功耗 高，且高度依賴于超精密加工技術(shù)，在很大程度上限制了其應(yīng)用。 MEMS陀螺具有尺寸小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，但現(xiàn)有的MEMS 陀螺無法達(dá)到慣性級精度和更高的戰(zhàn)術(shù)級精度，不能應(yīng)用在精度要求 高的場合，例如在GPS盲區(qū)為飛行器提供短程導(dǎo)航。MEMS陀螺精 度不高的主要原因在于：現(xiàn)有的MEMS元件加工方法，如化學(xué)腐蝕、 刻蝕、光刻轉(zhuǎn)印等，絕大部分是2D或2.5D的結(jié)構(gòu)，這些方法加工的 元器件質(zhì)量和材料分布不均，導(dǎo)致陀螺感應(yīng)頻率與驅(qū)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(nèi)外學(xué)者開始致力于研究3D結(jié)構(gòu)MEMS半球諧振陀螺，這種陀螺 最關(guān)鍵的部件是沉積在晶體材料微半環(huán)凹模上的高精度微小半球薄膜 殼，研究證明基于化學(xué)氣相沉積(chemicalvapordeposition，CVD)的 多晶金剛石薄膜諧振器品質(zhì)因數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同樣結(jié)構(gòu)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(huán)凹模的形狀精度、 表面粗糙度和表面質(zhì)量。目前，單晶硅材料微半環(huán)凹模的加工方法有： 從傳統(tǒng)MEMS的2D和2.5D結(jié)構(gòu)制造方法擴展而來的三維結(jié)構(gòu)加工 方法、微細(xì)EDM加工、微銑削加工、微細(xì)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(huán)凹模加工精度和 加工效率的要求，主要因為：(1)傳統(tǒng)的MEMS微加工—濕法化學(xué)刻 蝕和干法等離子刻蝕等方法，在從2D結(jié)構(gòu)向3D結(jié)構(gòu)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(huán)凹模，此種方法加工微半環(huán)凹模精度 差，且效率低。(2)微細(xì)電火花加工(μEDM)微半環(huán)凹模，由于放電 空間小，要求加工設(shè)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(huán)凹模表面質(zhì)量 差，形狀精度不高。(3)微銑削加工微半環(huán)凹模，在材料脆性去除時， 由于銑削加工自身的弱點，導(dǎo)致微半環(huán)凹模頂部或者底部經(jīng)常會出現(xiàn) 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(xì)工具分層加工微 半環(huán)凹模，由于微細(xì)工具的磨損難以準(zhǔn)確預(yù)測和控制，因而分層進(jìn)給 路徑難以合理規(guī)劃，導(dǎo)致微半環(huán)凹模形狀精度較差，且加工效率低。 (5)其他的電加工微結(jié)構(gòu)的方法，如電解加工，受到單晶硅材料導(dǎo)電性 的限制，難以用于微半環(huán)凹模的加工。綜上，由于無法加工出高質(zhì)量 的諧振陀螺單晶硅微半環(huán)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(fā)明內(nèi)容

為了克服已有諧振陀螺微半環(huán)凹模無法實現(xiàn)高形狀精度、低表面 粗糙度、高表面質(zhì)量、高效率加工的不足,本發(fā)明提供了一種高形狀精 度、低表面粗糙度、高表面質(zhì)量、高效率的微半環(huán)凹模陣列式研拋方 法及裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種微半環(huán)凹模陣列式研拋方法，所述研拋方法包括如下步驟：

1)制作超精密高一致性研拋模

所述研拋模包括工具連桿、定位基板、連接膠體、限位擋圈、精 密球體，工具連桿的上端與微細(xì)超聲發(fā)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(jié)劑，球體的一部分嵌 入孔內(nèi)；

2)超精密高一致性研拋模與襯底片之間充滿研拋液，研拋液所含 磨粒的粒度尺寸為納米級，研拋模在襯底片上方微小距離內(nèi)做高頻微 細(xì)超聲振動，超聲振動激發(fā)研拋液內(nèi)的磨粒高速沖擊襯底片，根據(jù)材 料去除的情況，研拋模在Z方向向下做設(shè)定速度的進(jìn)給運動，在磨粒 沖擊、超聲空化、研拋模錘擊、研拋模刮擦復(fù)合作用下，實現(xiàn)微半環(huán) 凹模陣列的材料去除。

進(jìn)一步，所述步驟1)中，在定位基板上粘結(jié)了限位擋圈，當(dāng)限 位擋圈碰觸工件平面，Z軸向下進(jìn)給運動停止。