一種盤型掃描電極掩膜微電解放電加工系統(tǒng)及加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電加工技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種盤型掃描電極掩膜微電解放電加工系統(tǒng)及加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微電子技術(shù)、納米技術(shù)、微納加工技術(shù)、激光技術(shù)、微化學(xué)技術(shù)、新材料新工藝等技術(shù)的進(jìn)步，微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)得到不斷提升和發(fā)展。微流控芯片在生物、化學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有極大潛力。聚合物材料由于具有成本低、性能良好、選擇范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，通過模具易于實(shí)現(xiàn)微流控芯片的快速、低成本、大批量生產(chǎn)，正日益成為制作微流控芯片的主要材料(見:劉瑩.基于微流控芯片的微結(jié)構(gòu)制品注塑成型工藝技術(shù)研究.大連:大連理工大學(xué)，2012)。
[0003]聚合物微流控芯片一般采用熱壓成型法、模塑法、注塑成型法、激光燒蝕法等加工方法成型(見:常宏玲.注塑成型PMMA微流控芯片熱壓鍵合研究[D].大連:大連理工大學(xué)，2012)。前三種方法利用模具制造微流控芯片，成本低、周期短、自動化程度高，是目前最常用的微流控芯片成型方法。所以，研究一種高效制備優(yōu)質(zhì)的金屬表面大面積微結(jié)構(gòu)模具的方法和工藝是關(guān)鍵。
[0004]微流控芯片微通道的特征尺寸一般為:高50?100 μ m、寬30?200 μ m，表面質(zhì)量和尺寸精度要求嚴(yán)格，在金屬模具上表現(xiàn)為凸起的結(jié)構(gòu)，用傳統(tǒng)機(jī)械加工很難滿足加工要求(見:宋滿倉，于超，張建磊等.聚合物微流控芯片模具制造關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].模具工業(yè)，2012，(02):1-6)。聚合物微流控芯片模具的制造技術(shù)主要有:LIGA技術(shù)、UV-LIGA技術(shù)、微銑削技術(shù)、激光微加工、化學(xué)蝕刻、電火花加工技術(shù)等技術(shù)。其中與本發(fā)明最相似的方法是:化學(xué)蝕刻技術(shù)和電火花加工技術(shù)。
[0005]光刻技術(shù)(Lithography)采用X射線或紫外線為曝光源，經(jīng)過曝光顯影等工序，將掩膜板上設(shè)計(jì)好的圖案轉(zhuǎn)移至附著在基底材料的光刻膠上，形成凹凸的圖案(見:陳大鵬，葉甜春.現(xiàn)代光刻技術(shù)[J].核技術(shù)，2004，27 (2):81-86)。首先在基底上涂覆一層抗蝕光刻膠，固化后用曝光技術(shù)通過掩膜板在透射區(qū)將抗蝕層曝光，曝光的光刻膠發(fā)生變質(zhì)，再通過顯影液清洗后，去除變質(zhì)的光刻膠(正性膠)或未變質(zhì)的光刻膠(負(fù)性膠)，露出基底材料，形成與掩膜板上相同的圖案。
[0006]電解電火花復(fù)合加工技術(shù)(ECDM)，選擇合適電導(dǎo)率的工作液，該溶液具有出一定的介電性能，可以產(chǎn)生電火花放電，同時(shí)還具有一定的導(dǎo)電性能產(chǎn)生電化學(xué)作用(見:尹青峰，王寶瑞，張勇斌等.弱電解質(zhì)溶液EDM/ECM復(fù)合加工機(jī)理研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014，(5):85-88)。工具電極接負(fù)極，工具接正極，接通電源后首先產(chǎn)生陽極電解作用，產(chǎn)生金屬離子在電場作用下向工具電極運(yùn)動。在合適電壓下，當(dāng)工具電極與工件的間隙進(jìn)給到火花放電的臨界值時(shí)，產(chǎn)生電火花放電，放電產(chǎn)生瞬間高溫將工件材料去除，實(shí)現(xiàn)工件材料的加工。工具電極也會伴有一定程度的瞬間高溫蝕除，而吸附在工具電極附近的金屬離子得到電子還原反應(yīng)，沉積在工具電極表面會補(bǔ)償電極損耗。
[0007]化學(xué)蝕刻技術(shù)(見:ZhangC，Rentsch R，Brinksmeie E.Advances in microultrasonic assisted lapping of microstructures in hard-brittle materials:abrief review and outlook[J].nternat1nal Journal of Machine Tools&Manufacture,2005，(45):881-890)是利用被加工材料在特定腐蝕溶液或氣體中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而溶解或腐蝕的原理去除加工區(qū)的材料，由于工件表面利用光刻技術(shù)制作了一定圖案的防蝕層，蝕刻形成具有相似圖案的凹凸結(jié)構(gòu)或鏤空效果?；瘜W(xué)蝕刻包括干法蝕刻和濕法蝕刻兩種，微米級尺寸結(jié)構(gòu)一般較多采用濕法蝕刻技術(shù)。濕法化學(xué)蝕刻的缺點(diǎn)是:腐蝕液對機(jī)床及相關(guān)零部件抗腐蝕能力要求比較高，加工過程常常因產(chǎn)生化學(xué)霧氣和有毒性氣體而不利于環(huán)保，化學(xué)蝕刻原理上的側(cè)腐蝕現(xiàn)象會導(dǎo)致加工尺寸不易精確控制、微通道側(cè)壁垂直性不好和截面形狀難以控制。
[0008]電火花加工技術(shù)是利用電極和工件之間高壓脈沖產(chǎn)生火花放電時(shí)的電蝕作用去除材料的加工方法，加工微流控芯片模具可以采用微細(xì)電火花銑削法和電火花仿形加工法。電火花仿形加工法需要預(yù)先制作微流控芯片母模作為工具電極，通過縱向進(jìn)給加工出所需深度的微流控芯片模具。電火花加工技術(shù)加工表面微結(jié)構(gòu)的方法有微細(xì)電火花銑削法和電火花仿形加工法，與本發(fā)明相近的是電火花仿形加工法，其缺點(diǎn)是:由于工具電極損耗嚴(yán)重，會影響成形精度和使用壽命，并且加工存在熱影響區(qū)，使工件表面產(chǎn)生變質(zhì)層，微細(xì)結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生熱變形。
[0009]上述現(xiàn)有技術(shù)均存在通孔部位加工不足、加工深度不均勻的問題，由于采用中間開通孔的圓柱狀電極作為工具陰極，加工中電極不作平動，通孔位置對應(yīng)的工件表面某一區(qū)域電場微弱，這一區(qū)域因加工量極少而產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)深度很淺，表現(xiàn)出加工深度不均勻。并且該方法只能加工小面積范圍內(nèi)的微結(jié)構(gòu)，對于更大面積微結(jié)構(gòu)的加工不適用。因?yàn)槿绻皇窃黾与姌O底面積，又會帶來加工電流過大或流場分布不均勻的問題。
[0010]目前電解電火花復(fù)合加工技術(shù)在掩膜工件加工微結(jié)構(gòu)方面未見報(bào)道。米用微小電極進(jìn)行電解電火花加工，對于大面積微通道凸起結(jié)構(gòu)的加工效率很低。仿形電火花加工技術(shù)也可以大面積加工，但需要預(yù)先制作互補(bǔ)的模具并且電極損耗嚴(yán)重，而該方法只需要制作工件掩膜，具有成本低、周期短和工具損耗率低的優(yōu)勢。濕法化學(xué)蝕刻，也使用了光刻掩膜的手段，但是蝕刻的微結(jié)構(gòu)側(cè)壁垂直性很差，不能滿足微通道的垂直性要求。
[0011 ] 另外，現(xiàn)有電解放電加工還存在電極面積小，工具電極的各區(qū)域的損耗不均衡，不利于工作液更新，加工間隙不穩(wěn)定，加工表面質(zhì)量差等缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種工具電極損耗小，加工表面精度高，且可以進(jìn)行大面積電火花表面加工的盤型掃描電極掩膜微電解放電加工系統(tǒng)。
[0013]本發(fā)明的第二目的是提供一種盤型掃描電極掩膜微電解放電加工方法。
[0014]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):盤型掃描電極掩膜微電解放電加工系統(tǒng)，包括工件、盤型電極和工作液，所述工件的加工表面覆蓋掩膜，所述掩膜上設(shè)置有加工窗口，所述工件置于工作液中，所述盤型電極位于所述工件上方的工作液中，所述工件和盤型電極通過導(dǎo)線與電源連接。
[0015]所述盤型電極包括旋轉(zhuǎn)面和固定在旋轉(zhuǎn)面上的連接軸組成，所述旋轉(zhuǎn)面設(shè)置有中央出液口，所述中央出液口連通于所述連接軸的內(nèi)腔。
[0016]其中，所述盤型電極與工件間的距離為掩膜厚度再加上15-30um。
[0017]優(yōu)選的，所述盤型電極與工件間的距離為掩膜厚度再加上20um，這樣有利于工作液更新，提高加工精度。
[0018]盤型掃描電極掩膜微電解放電加工方法，包括工件、盤型電極和工作液，所述工件的加工表面覆蓋掩膜，所述掩膜上