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第5章 其他微结构加工方法,吴丰顺 材料学院 Email: Tel:2019/8/2,2,主要内容,5.1 机械微加工 5.2 放电加工（EDM） 5.3 激光微加工,2019/8/2,3,5.1 机械微加工,机械微加工最初是由德国FZK研究中心与MBB公司合作研制的，目的是能够用亚毫米技术生产廉价的喷嘴，该喷嘴用于由同位素235U生产的浓缩气体UF6。 在本书中强调的微加工技术是由FZK研究中心研制用于生产微机械结构的新工艺，在工艺中采用成型微刀具对表面的薄膜结构和基底进行精加工。 例如，微结构体可以采用微通道技术，用金属薄膜的堆叠和焊接技术生产。 机械微加工的最小尺寸可以达到几个微米， 金属和合金也可以像塑料和半导体材科硅一样成型。,2019/8/2,4,5.1.1 生产过程与主要结构,金属薄片式的微结构，基本上可以用两种精密金刚石刀具加工。,图5.1-1 使用车床实现的微加工,第一种：图5.1-1是用车床加工的示意图，金属薄片被绕在一个安装在车床主轴上的圆盘上，然后借助弹簧拉力拉紧，可调整式的微刀具被安装在圆盘下面可滑动的支撑架上，使用CNC装置控制支撑架和主轴，沿着平行于槽的方向，以微刀具的形状切入薄片表面。,2019/8/2,5,使用图5.1-1所示的矩形金刚石微刀具加工100 m厚的薄铝片，切削宽度为85 m ，深度是70 m ，间距是115 m ，剩余部分的厚度是30 m。照片如图5.1-2所示。 在图中还可以看到原来的研磨痕迹和边缘的毛刺，如果需要进一步加工除去毛刺，那么下一步使用平面切削金刚石微刀具就可以除去这些毛刺。,图5.1-2 在图5.1-1车床上所加工槽的缩微照片,2019/8/2,6,图5.1-3是第二种薄片结构在高精度铣床上加工的示意图。金属薄片固定在高精度真空吸盘上，真空吸盘安装在X-Y工作台上，金刚石微刀具安装在高速旋转的主铀上，金刚石微刀具的切削速度可以通过改变主铀转速调整，通过旋转工作台可以改变微结构的加工方向。通过改变金刚石微刀具的形状可以加工矩形、三角形和半圆形槽。,图5.1-3 使用高精度铣床实现的微加工,2019/8/2,7,图5.1-4(a)是一个矩形金刚石微刀具的缩微照片，金刚石微刀具助切削宽度是100m。 图5.1-4(b)所示的是楔形金刚石微型刀具头部楔形角为20o，切削深度为500m。,图5.1-4,2019/8/2,8,图5.1-5 微机械加工中生成的典型微结构,使用图5.1-4(b)所示的楔形金刚石微刀具，对平滑的黄铜表面进行十字交叉加工，结果形成如图5.1-5所示的四棱锥，在这个样品中，棱锥的高度是250 m ，X方向和Y方向间距是100 m ，每平方厘米排列有10000个微四棱锥，圆锥形的毛刺总是伴随着这个成型的过程产生。,2019/8/2,9,使用金属薄片结构的微结构体被用来构建并应用于各种场合，此外，塑料成型和电镀也有大量的新应用。 无论如何，微加工对于直槽的加工也是非常有用的，微结构也可以使用非常小的钻头和平底铣刀加工，钻头和平底铣刀作为成型刀具通常用来加工注射成型模和热压纹模。,2019/8/2,10,图5.1-6 微型铣刀 （a）使用硬金属材料制造的铣刀，直径大约是40 m （b）带有50 m宽环型槽的微结构，剩余的环宽为10 m,2019/8/2,11,图7所示是可能的制造复杂成型刀具的方法。,图5.1-7 使用微机械制造技术制造的像成型刀具一样的微结构,2019/8/2,12,5.1.2 应用实例,微型热交换器 微型反应器 细胞培养的微型容器 微型泵 X射线强化屏,2019/8/2,13,工作于对流模式的微型热交换器是正方体结构，由正方形的金属薄片(也就是100 m厚的铜或不锈钢薄片)堆叠而成，相邻的金属薄片旋转90o，每个微型热交换器由100个金属薄片构成。 这样构成的微型换热器大约有8000个微通道，有一半的通道构成液体流动的导热通道，另一半通道吸收液体的热量。 热交换器的面像鳍一样，通道的面积大约为150cm2，容积为1cm3。 随后在真空室把这些叠在一起的薄片固定并焊接在一起，图8是三个还没有连接液体传输管道的不同尺寸的微型铜质热交换器。,1、微型热交换器,2019/8/2,14,图5.1-8 铜质微型热交换器的缩微照片 最小的一个外部体积是1cm3，实际交换面积是150cm2。各种形式交换器的内部槽的尺寸完全相同,2019/8/2,15,用水测试这些热交换器的性能，水源入口处的温度是95oC，水流过交换器后，吸收热量，温度提高13oC。在两个通道方向的流速是相同的，水流速度在0.25L/min和1.25L/min之间变化。 图5.1-9绘制的是相对于水流速度的热交换和热交换系数的实验数据。 在最高流速下大约可以实现20kw的热交换，在规定的两种液体之间平均温度的差异是60K。这个结果相当于单位体积的热交换系数为324W/(cm3K)，这个值大约比常规热交换器高1-2个数量级。,2019/8/2,16,图5.1-9 传输的热量和单位流量水的热转换系数,2019/8/2,17,纵向的比较，热交换器使用不同的材料(铜、不锈钢)，热交换性能也有明显的区别。 微型热交换器应用在要求有高的传送效率、体积小、质量轻的场合，例如在航空、航天、化工和其他领域。,2019/8/2,18,2、微型反应器,微型热交换器更进一步的应用就是用于微型反应器。 使用混合器添加其他的元素，混合器的设计与交叉流动的热交换器相类似，输出的两种相互混合的液体之间的距离在1-2mm， 图5.1-10是一个典型的用微机械制造的混合器。从图中可以清楚地看到，输出微通道之间彼此排列的角度至少是90o。 两种液体被混合以后，进入一个改进了的热交换器，通过准确的温度控制，液体之间可能会发生反应，在反应中会产生大量的反应热。 热交换器选择不同的材料，对反应会起到催化加速作用。,2019/8/2,19,图5.1-10 混合器 （a）V型混合器;（b）微型混合器端面的缩微照片,2019/8/2,20,图5.1-11 微型反应器照片 下面的两个通道是输入通道，其对面的通道是输出通道，左上角和右上角的通道是热控制通道,2019/8/2,21,图5.1-11是一个完整的微型反应器，包括两个介质输入通道、混合器、反应室和反应产品输出通道。 尽管这个反应器尺寸很小，但是当以5L/min的输出流量对密度为1g/cm3的液体进行处理时，如果连续生产，则每年可以生产1800t。,2019/8/2,22,3、细胞培养的微型容器,微机械制造的进一步应用是制造培养生物细胞的微型容器阵列。 如图5.1-12所示，容器的宽度是300 m ，深度是l00m ，结构中在底部集成了一块多孔渗水板，因此，营养能够从底部渗透到细胞，细胞不会蔓延到相邻的其他单元。,2019/8/2,23,图5.1-12 生物细胞培养的微型容器与加工成型微型容器的压纹工具 （a）生物细胞培养的微型容器，尺寸是300 m300 m100 m；（b）加工成型微型容器的压纹工具,2019/8/2,24,4、微型泵,图5.1-13 气体微型泵 （a）微型泵照片，外形尺寸10mm10mm；（b）泵的横截面,2019/8/2,25,图5.1-13(a)是一个典型的微型泵，执行机构室是密封的(2m厚的聚酰亚胺膜片)，由一条曲折的导线间歇地加热。 执行机构室的热空气膨胀，膜片被椎入泵腔，利用泵腔的压力关闭进口阀，打开出口阀，执行机构室的介质就被推出去了； 当关闭加热器，执行机构室内的空气冷却，膜片从泵室缩回，室内的低压力打开进口阀，关闭出口阀，泵室内再一次充满了将被泵出的介质。,2019/8/2,26,微型泵基本上由三部分构成，第一部分包括介质入口、出口和执行机构室等；第二部分是集成有弯曲加热导线的加热器；第三部分是微型泵的下面部分，这三部分构成了微型泵的泵室。 微型泵的上半部分和下半部分由聚砜树脂注塑成型制得。 注塑模具使用金属微切削加工技术制造，在一个基底上每次可以注塑12个微型泵（见图5.1-14）。,2019/8/2,27,图5.1-14 在一个基底上集成的12个微型泵,2019/8/2,28,泵的三个组成部分的安装,首先将上半部分先与膜片粘在一起，方法是通过开口嵌入系统粘结室粘一些粘接剂，粘接剂分布在12个泵的计划排列位置，这样12个泵体就同时固定了，然后通过旋转涂覆的方法将聚酰亚胺膜片制于硅晶片上，再通过光刻和薄膜处理、在执行机构室形成加热器的图案，最后将开口阀嵌入膜片，在黏结剂硬化以后，将泵的上半部分注塑成型的零件和膜片从基底上除去； 第二步将泵的下半部分成型膜片与结构单元固定，其过程与第一步基本相同； 最后分别将各独立泵的流体连接部分和电气焊点同定。,2019/8/2,29,5、X射线强化屏,X射线一般用于医疗诊断，一方面必须获得尽可能多的信息，另方面在病入体内沉积的X射线的放射剂量要尽可能的低。 由于高灵敏度的强化层能够减少放射剂量，所以带有强化层的X射线胶片专门用于X射线诊断，遗憾的是，灵敏度的提高或灵敏材料层厚度的增加将会导致清晰度的降低见图5.1-15(a)。 由于冷光具有各向同性的特性，再加上在多晶灵敏层光的散射，一般会在纪录场产生模糊的斑点。 通过加大强化层的厚度能够增加微结构强化屏的灵敏度，同时能够避免过多的模糊斑点。如图5.1-15(b)所示的结构中，冷光被局限在微型腔内，其范围不会超过微结构的节距。,2019/8/2,30,图5.1-15 （a）常规的带有强化层的X射线记录胶片，输入的X射线由发光增强剂转换成可见光，并使照相胶片曝光；（b）微结构增强剂使光被限制在微型腔内，这样就保证了在微结构节距范围内的清晰度,2019/8/2,31,图5.1-16 微结构增强剂的横截面缩微照片，节距尺寸是100m,微结构可以通过热压纹加工，而压纹工具是使用十字交叉V形槽压入模板制造的，然后在微结构的空穴内填充X射线增强剂，这样就完成了微结构X射线强化屏的制造见图5.1-16。,2019/8/2,32,5.2 放电加工(EDM),放电加上或火花腐蚀加工是一种功能强大、多用途的技术。利用这种技术可以加工出三维微结构，可以加工钢、硬金属等导电材料，也可以加工陶瓷、硅等材料。 EDM适用于刀具制造和样机零件的高精度加工，从加工性质来看，这种加工技术不适用于大批量生产，但这种技术适合于制造冲模、注塑成型的金属型芯和热压纹模。 在几年前，这种技术在微型制造中的价值已经得到了承认，在此期间也生产了各种各样的产品，特别是加工了在医疗中需要的三维钛-镍合金线。,2019/8/2,33,5.2.1 放电加工基础,EDM是工具映像到工件的物理过程，由于在工具电极和工件电极之间的放电，发生电腐蚀，物质被蒸发。 两个电极被浸泡在绝缘液中，在两个电极之间加上一定的电压，并且相互接近，当超过击穿电压时，在电极之间就建立了等离子通道，结果是电极材料被蒸发。 这个过程可分成三个基本步骤：开始阶段、放电阶段和结束阶段。,2019/8/2,34,在开始阶段，产生等离子通道，主电流集中在通道的表面区域，由电子轰击通道的阳极面，少量的材料被气化； 在放电阶段，等离子通道进一步发展，主电流被限制在通道的很小的截面内，由于等离子放电产生的热能必然使两个电极一定量的材料被熔化和气化，在绝缘液中不断增加的气泡带走了金属蒸气； 在结束阶段，电流减小，由于等离子通道和气泡被破坏，蒸发的材料从两个电圾之间喷射出来。 整个过程依赖于对阳极(工件)材料和阴极(工具)材料腐蚀的不平衡性，否则的话就不可能得到精确的工件形状。,2019/8/2,35,抗腐蚀指标是用来测量工具寿命的，用下面的公式计算： 式中，为热传导率（WK-1m-1），c为单位热量值（Jm-3K-1），Tm为熔点。,2019/8/2,36,高抗腐蚀指标的材料适合于制造EDM工具电极； 低抗腐蚀指标的材料最好做工件； 表5.2-1中给出了几种材料，既可以用于工具电极也可用作工件。,2019/8/2,37,一般有两种类型的EDM： 电火花成型加工； 电火花线切割加工。,2019/8/2,38,图5.2-1 EDM加工 （a）成型加工；（b）线切割加工,2019/8/2,39,图5.2-1是两种类型EDM的简图，在第一种情况下使用的是预先成型的工具电极，通常由石墨或铜制成，工件电极的形状以电腐蚀的形式复制到工件上。 在第二种情况下，以一条金属丝为切削工具使工件形成理想的形状。因为金属丝也会被腐蚀，在线切割机床上，金属丝通常由钨或铜制成，直径在25-300 m ，为保证成型加工的精度，必须保证总是新的金属丝在切削工件表面。,2019/8/2,40,EDM铣削是放电加工的一个变种，在EDM铣削时，工具电极沿X方向、Y方向和Z方向运动，在工件上生成理想的形状，EDM钻加工也一样，用一条导线作为电极，进入工件形成孔(见图5.2-2)。,图5.2-2 EDM加工的两种基本变形 （a）复杂三维形状的EDM铣制；（b）使用线电极的工件表面小孔加工,2019/8/2,41,通常使用矿物油或合成油作为绝缘液，尤其是在线切割微小尺寸时，有时使用去离子水作为绝缘液。 在电腐蚀加工中使用绝缘液有三个目的： 收缩等离子通道并且因此而提高能量密度； 除去腐蚀微粒； 电极的冷却。,2019/8/2,42,5.2.2 EDM在微系统中的应用,如图5.2-3所示，用直径为30 m的钨丝将一段直径为500m的NiTi合金线加工成一个微型夹子，夹子的开口部位是弯曲的，以保证开口处于打开位置，在夹子上套了一段塑料管防止打滑。,2019/8/2,43,图5.2-3 微型夹子 (a)用线切割加工技术制造微型夹子；（b）直径为500的超弹性NiTi合金线制成的夹子的缩微照片,2019/8/2,44,图5.2-4是个使用夹子在医疗导管上安装显微透镜的例子。,2019/8/2,45,借助于在腐蚀加工期间电极丝和工件相互之间的相对运动，可以加工出相当复杂的微型结构，如图5.2-4所示。,2019/8/2,46,5.3 激光微加工,在有些情况下，对于原硅、金刚石、石英、人造金刚石、玻璃、陶瓷和硬金属等材料采用普通的钻、铣机械加工方法是很困难的，激光微加工对这些材料的加工是非常方便的； 对于像硬度不高的聚合物等软性材料的加工，使用常规的机械加工手段加工会产生塑形流动，激光却能对其进行精确的加工，因为激光微加工所施加的力很小； 激光微加工也适合于精密和形状复杂的零件的加工； 同时激光微加工还适合于表面的亚微米加工； 能够加工传统方法难以加工的孔或空腔的形状和尺寸。,2019/8/2,47,激光微加工的原理,激光通过使工件表面受热熔化实现微加工。 使用光学系统，将激光束聚焦成直径只有几到几十微米的点，由于材料表面吸收了激光的能量，局部的材料被熔化、蒸发，放电离的和中性的原子被驱散，然后在基底表面形成一个火山口，这个口的形状取决于加工过程中的激光参数、加工方式、材料特性和使用的气体。,2019/8/2,48,图5.3-1是使用连续激光或激光脉冲在基底上加工形成孔的示意图，喷射出来的材料覆盖在孔的边缘，气化的原子和化合物重新沉淀在靠近加工区的表面形成碎片，在热影响区表面，材料重新结晶，由于缓慢加热和激光束形状的影响，孔壁通常是锥形的。,图5.3-1 孔的微加工截面,2019/8/2,49,图5.3-2 激光微加工设备示意,2019/8/2,50,图5.3-2是一台典型的激光微加工设备，工件被安装在X-Y工作台上，X-Y工作台带有用于位置控制的编码器，激光束聚焦以后照射到工件表面，由于Z向工作台的移动，可以调整焦点的位置，使焦点保持在最佳位置，使用摄像机监视初始的对准和烧蚀加工。 有些激光系统，工件被封闭在充满活性气体或惰性保护气体的密闭容器内。 整台设备安装在刚性支撑上，以保证激光焦点的稳定和重复定位精度。,2019/8/2,51,典型的激光扫描速度是每秒几厘米，扫描速度主要取决于激光功率、光谱吸收率、热传导率和材料的热容量，激光束每次扫描的烧蚀深度大约是10nm到几微米。 激光微加工系统由计算机控制，计算机程序将CAD/CAM数据转换成合适的工作台运动。,2019/8/2,52,激光器的种类,第一种激光器指各种受激准分子激光器、这种激光器发出波长为351-193nm的紫外线光脉冲，例如KrF激光器； 第二种激光器是铷铱铝(Nd：YAG)激光器，它发出接近红外线的波长为1067nm的激光，使用时频率可以被增加至2倍、3倍或4倍； 第三种激光器是CO2激光器，发出波长为10.6 m的远红外激光； 最后一种激光器是连续波方式激光器，例如发出波长为488nm的氩离子激光器，光源产生的能量为10J/cm2。,2019/8/2,53,脉冲式激光系统的频率为几千赫兹，脉冲宽度为微秒到微微秒。 超高频脉冲最适合高精度激光微加工，