[发明专利]竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极方法及装置

说明书

本发明涉及一种利用竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极方法及装置，属于电化学加工领域。其特征在于：利用液体的表面张力，在金属圆环上形成竖直液膜，将阳极金属丝水平穿过竖直液膜的正中心。利用夹具调整金属圆环使竖直液膜与阳极金属丝相垂直，通过机床运动带动阳极金属丝在竖直液膜内做水平往复运动。直流或脉冲电源的正负极分别与阳极金属丝和金属圆环相连，接通电源可在线制备左右对称的大长径比小锥度微米尺度工具电极。制备完成后拆除液膜及金属圆环，将已制备好的工具电极旋转为竖直状态，即可移动到电解线切割槽内进行电解线切割加工。

技术领域

本发明涉及一种竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极方法及装置，属于电化学加工技术领域。

背景技术

随着各种精密、微细技术和微机电系统MEMS）的发展，微米尺度的大长径比工具电极的制备变得越来越重要。大长径比微米尺度工具电极可广泛应用于微细加工技术、微电子技术、生物医学和航空宇航技术等前沿领域。目前大长径比微米尺度工具电极的主要准备方法有微细机械加工技术、聚焦离子束铣削技术（FIB）、线电极放电磨削技术（WEDG）、约束电化学沉积技术（LECD）、电化学刻蚀技术等。其中机械加工方法存在切削力，加工过程中容易产生挠曲变形，不利于制备微米尺寸工具电极。聚焦离子束铣削技术（FIB）技术虽然是目前微细工具制造中最精密的加工方法，但是其设备昂贵，加工时间长，使其应用收到了限制。线电极放电磨削技术（WEDG）属于热加工技术，存在重铸层和热影响区，且效率较低设备昂贵，也限制了其应用。约束电化学沉积技术（LECD）属于增材制造技术，但金属沉积时会产生内应力、气泡以及松散的沉积结构，无法实现精密制造。电化学刻蚀技术是基于阳极溶解原理去除材料的工艺，材料以离子的形式去除，与被加工材料的强度和硬度无关，加工过程中无机械力，也没有重铸层等缺陷，具有很高的加工精度，且加工成本不是很高，适合于大长径比微米尺度工具电极的制备。

此外，在微细电化学加工领域，工具阴极是微细电解加工系统的重要组成部分，随着工具阴极向工件的进给，阳极工件材料发生溶解而被去除。工具电极直接影响着微细电极加工的极限加工尺寸，加工精度和稳定性。制备出长径比大、尺寸小、表面质量好且精度高的工具电极，对微细电解加工的研究发展和应用有很大的实际意义。王玉峰等利用液膜刻蚀辅助阳极往复运动的方法制备出平均直径几百纳米，长径比70的微细工具电极（Y.Wang, N. Qu ,Y. Zeng, X. Wu and D. zhu, The fabrication of high-aspect-ratiocylindrical nano tool using ECM, International Journal of PrecisionEngineering and Manufacturing, 14, 2179-2186 (2013). ）。但是这种方法制备的电极存在上下端不一致，且下端电极存在较大锥度的问题。实际可用于电解线切割加工的长度只有十几微米，只能加工厚度在几微米左右的工件，限制了其使用范围。

目前的液膜刻蚀方法虽然能够制备出亚微米甚至纳米级别的工具电极或探针，但这些方法都是采用线电极竖直放置，液膜横置的方案。随着加工的进行，电极尺寸不断减小，减小到一定程度后，受重力影响自然掉落形成尖端电极。这种加工方法会导致加工产物堆积在电极下端形成扩散层，阻碍电化刻蚀的进行。这种方法制备的电极，由于加工中扩散层的影响，所以存在较大的锥度，长径比较低，只能加工很薄的工件。如果能够制备出一种直径在几微米、长径比在几百左右、可加工较大厚度工件的电极，就可以拓展微细电解线切割技术的应用，并促进微结构制造技术，微电子技术等研究的发展。

发明内容

针对目前传统横置液膜方法制备工具电极存在扩散层阻碍加工，且加工出的电极锥度较大，长径比较低，不能加工较大厚度的工件的问题。本发明提出了一种竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极方法及装置。