[发明专利]一种微半环凹模阵列化学-机械分级复合制造方法

说明书

技术领域

本发明属于超精密加工领域，尤其是一种微半环凹模阵列化学- 机械分级复合制造方法。

背景技术

半球谐振陀螺是一种新型惯性传感器，与机械陀螺相比具有诸多 优点。宏观尺度的半球谐振陀螺精度已达到惯性级别，开始应用于航 空、兵器和空间惯导系统，但由于尺度大导致体积大、质量重、功耗 高，且高度依赖于超精密加工技术，在很大程度上限制了其应用。 MEMS陀螺具有尺寸小、重量轻、功耗低等优点，但现有的MEMS 陀螺无法达到惯性级精度，不能应用在精度要求高的场合，例如在GPS 盲区为飞行器提供短程导航。MEMS陀螺精度不高的主要原因在于： 现有的MEMS元件加工方法，如化学腐蚀、刻蚀、光刻转印等，绝大 部分是2D或2.5D的结构，这些方法加工的元器件质量和材料分布不 均，导致陀螺感应频率与驱动之间匹配性差，使得MEMS陀螺的精度 受到极大限制。为了提升MEMS陀螺的精度，国内外学者开始致力于 研究3D结构MEMS半球谐振陀螺，这种陀螺最关键的部件是沉积在 晶体材料微半环凹模上的高精度微小半球薄膜壳，研究证明基于化学 气相沉积(chemicalvapordeposition，CVD)的多晶金刚石薄膜谐振器 品质因数远远高于同样结构的硅材料谐振器。然而，CVD微半球壳的 精度依赖其“母体”微半环凹模的形状精度、表面粗糙度和表面质量。 目前，单晶硅材料微半环凹模的加工方法有：从传统MEMS的2D和 2.5D结构制造方法扩展而来的三维结构加工方法、微细EDM加工、 微铣削加工、微细超声分层加工。至今，这些已见报道的加工方法还 无法满足单晶硅硬脆微半环凹模加工精度和加工效率的要求，主要因 为：(1)传统的MEMS微加工—湿法化学刻蚀和干法等离子刻蚀等方 法，在从2D结构向3D结构延伸的过程中，都难以摆脱晶体方向和掩 膜材料的选择性问题，无法加工出具有高度对称性和材料一致均匀的 微半环凹模，此种方法加工微半环凹模精度差，且效率低。(2)微细电 火花加工(μEDM)微半环凹模，由于放电空间小，要求加工设备的 精度极高，难以制造出形状精度极高的电极，且工具电极在加工过程 中磨损很快，加工出来的微半环凹模表面质量差，形状精度不高。(3) 微铣削加工微半环凹模，在材料脆性去除时，由于铣削加工自身的弱 点，导致微半环凹模顶部或者底部经常会出现崩裂、表面及亚表面损 伤，难以满足加工要求，在采用塑性延展铣削加工时，加工效率和成 品率极低。(4)利用超声和微细工具分层加工微半环凹模，由于微细工 具的磨损难以准确预测和控制，因而分层进给路径难以合理规划，导 致微半环凹模形状精度较差，且加工效率低。(5)其他的电加工微结构 的方法，如电解加工，受到单晶硅材料导电性的限制，难以用于微半 环凹模的加工。综上，由于无法加工出高质量的谐振陀螺单晶硅微半 环凹模，至今尚未见报道研制出惯性级别精度的MEMS半球谐振陀 螺。

发明内容

为了克服已有谐振陀螺单晶硅微半环凹模无法实现高形状精度、 低表面粗糙度、高表面质量、高效率加工的不足,本发明提供了一种高 形状精度、低表面粗糙度、高表面质量、高效率的微半环凹模阵列化 学-机械分级复合制造方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种微半环凹模阵列化学-机械分级复合制造方法，所述制造方法 包括如下步骤：

1)制作精密球阵列研抛模

所述研抛模包括工具连杆、定位基板和精密球体，工具连杆的上 端与微细超声发生器相连接，所述工具连杆的下端与定位基板连接， 在定位基板上加工出阵列孔径，孔径大小小于精密球体直径，在孔径 和精密球体之间充满粘结剂，球体的一部分嵌入孔内；

2)第一级研抛

采用精密球阵列研抛模，通过化学-机械加工方法实现微凹模阵列 的形状构型；

在待加工的工件上涂覆A_u/C_r膜，膜厚度在30nm---300nm之间， 用来作为晶体材料表面保护层；在研抛液中加入HNA溶液；

通过精密球阵列研抛模的微细超声振动，激发研抛模和微凹模衬 底工件之间的研抛液中的微细磨粒高速冲击微凹模衬底工件，并伴随 超声空化、研抛模对工件的刮擦、锤击复合作用，发生机械性材料去 除，在可控化学腐蚀和微细超声仿形研抛共同作用下，对衬底工件进 行材料去除，此级材料去除属于脆性去除和化学腐蚀材料去除；

3)第二级研抛