[发明专利]芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法及装置

说明书

本发明公开了一种芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法及装置，包括研抛模平台，其变幅杆连接高频可调超声发射装置，变幅杆上装有可拆卸式超硬镀层工具头，导向固定板上加工有光滑通孔，所述氧化铝球体被限制在导向固定板上，导向固定板和碳化硅晶圆片放置于水平工作台上；将研抛液均匀充满导向固定板和碳化硅晶圆片上；超硬镀层复合工具头接收给定的频率和振幅的超声高速振动，撞击氧化铝球体并发射，氧化铝球体高速撞击磨粒后，撞击碳化硅衬底，撞击期间对二氧化硅进行去除，撞击期间芬顿反应和超声加工表现为逐层反应，逐层去除，期间通过超声加工的多域可控法，获得高表面质量的微半球凹模阵列。

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，尤其涉及一种芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法及装置。

背景技术

半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyro,简称HRG),是利用半球谐振子在高频振动时产生的哥氏效应制成的一种角运动检测装置。因为不同于机械转子在高速转动时动量矩对空间位置产生的变化的原理，HRG能够极大的减小陀螺体积，且具有较强的抗冲击能力。具有精度高、体积小、可靠度高、寿命长、低功耗、启动时间短、断电后能继续工作15Min的特性，在与MEMS(微机电系统)技术结合起来，制备成的微半球谐振陀螺技术(μHRG)被广泛的运用在航天航空，国防军工上，是导弹、航空器等飞行单位惯性测量单元和姿态稳定控制的关键部件。

目前高精度高质量的HRG的主要被美国、法国和俄罗斯所垄断。因为半球谐振陀螺的品质因数对振子的几何物理精度上具有很高要求，目前的HRG谐振子制造方法都是首先获得一个高回转精度和高表面质量的半球凹模，然后利用各种沉积方法在凹模表面沉积出一个半球空腔，再经过一系列工步，最终实现谐振子的装配。目前技术的难点在于获得高回转精度和高表面质量的半球凹模，国际上现有的在硬脆材料上加工半球凹模的传统加工方法主要有：微电火花加工，高能束加工，超声加工等。

微电火花加工(Electro Discharge Meching EDM),是利用两极间高强度火花放电的电蚀现象来蚀除材料的方法。高能束加工，常用的如激光加工，利用产生的高温使非金属硬脆材料表面融化气化并伴随爆炸来达到去除材料的目的。传统的超声加工又称悬浮磨粒超声冲击加工，利用超声的高能冲击磨粒对材料进行机械去除。他们在加工半球凹模时都要致命的缺点，微电火花加工效率低，又难以获得较好的形状精度；激光加工还会使材料热应力集中，产生裂纹和热变形，影响加工形状精度和表面质量。超声加工中工具头磨损严重，加工效率低且加工硬脆材料时加工表面常会出现“崩豁”现象，严重影响加工表面质量。

发明内容

本发明的目的是针对现有谐振振子凹模加工技术存在的无法保证表面质量和形状精度、无法批量制造、加工复杂的缺陷和不足，提供一种芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法及装置。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

S1、将所述研抛液均匀充满导向固定板和碳化硅晶圆片之间；

S2、超硬镀层复合工具头接收给定的频率和振幅的超声高速振动，撞击氧化铝球体，将氧化铝球体发射出去，氧化铝球体高速撞击磨粒后，撞击碳化硅衬底，撞击期间伴随着磨粒对衬底材料的机械冲击、剪切、抛磨、加工液的空化现象对二氧化硅进行去除，撞击期间芬顿反应和超声加工表现为逐层反应，逐层去除；

S3、通过超声加工的多域可控法，获得表面粗糙度S_a＝20nm-40nm的微半球凹模阵列。使得受氧化铝球体激发的单磨粒冲击力从大于0.15g下降到0.065g,从而改变材料去除方式使其从脆性破坏转向塑性去除，获得表面粗糙度介于S_a＝10nm-20nm的微半球凹模阵列。

进一步的，可拆卸式超硬镀层复合工具头在钛合金工具头前端断面镀上一层陶瓷材料。如碳化钨，金刚石等耐磨超硬陶瓷材料，提高工具头的耐磨性和寿命，但不为碳化硅材料。