CN103290437B - 一种阴极多自由度运动微电铸装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阴极多自由度运动微电铸装置，在装置底座(1)上设有安装平台(11)，电铸槽(3)设在装置底座(1)上，安装平台(11)上设有阴极水平往复平移机构，阴极水平往复平移机构上设有阴极垂直升降机构，阴极垂直升降机构上设有阴极定轴旋转机构，阴极装夹单元(13)安装在阴极定轴旋转机构上，阳极装夹单元(21)和阴极装夹单元(13)竖直置于电铸槽(3)内呈彼此面对。本发明的阴极运动***可实现电铸过程中阴极在电铸液中水平往复移动、定轴转动及两种运动的耦合，并引入了随动式屏蔽挡板，能有效改善铸层厚度均匀性、消除电铸过程中析出气体对铸件质量的影响。同时运动控制***可控制运动参数，最大限度提高电铸的效率，获得致密、均匀铸层。

Description

一种阴极多自由度运动微电铸装置

技术领域

本发明涉及一种微电铸装置，尤其是涉及一种阴极多自由度运动微电铸装置。

背景技术

目前，随着MEMS技术的飞速发展，微器件需求量不断增加，经济实用的微电铸工艺逐渐发展为一种重要的微加工技术，甚至是一些精密微细零件的唯一加工方法。同时，电铸作为一种电沉积成型技术，影响因素众多，如何获得均匀、致密的铸层一直是人们关注的难点。电铸过程中由于电场的“边缘集中效应”、微结构之间的相互屏蔽，导致电铸层的厚度均匀性差，高深宽比部位组织疏松；电铸过程析出的氢气吸附在阴极表面，如果不及时排出会产生气孔、氢脆等缺陷。为减小铸层厚度不均匀性、优化铸层性能，关键在于改善阴极表面电场分布情况，增强阴极表面沉积离子传质过程。现有的改善措施一般有：优化电铸液组分、优化成型工艺、使用脉冲电铸电流代替直流电流、加入湿润剂等，但效果都不是很理想。

微电铸装置是实现电铸工艺的必须载体，合理的电极布局方式、引入机械运动***和完整的工艺参数监控***对获得高质量微电铸器件、简化工艺过程有很大帮助。例如，垂直布置的阴极比水平布置的阴极更容易排除表面析出的氢气，减小气孔、氢脆等缺陷出现的可能；阴极的运动机运动形式有利于增强阴极表面的传质条件、改善电场的边缘集中效应，获得性能更好的铸层。现有的电铸装置阴极要么固定、要么运动形式单一，如CN102586813A公开的“一种微细电铸机床”实现了阴阳极在电铸槽内任意角度布置，满足不同电铸工艺要求。但该装置仍不能解决电铸件厚度均匀性差，表面容易出现气孔、氢脆等缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制备铸层表面质量好、厚度均匀的阴极多自由度运动微电铸装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供的阴极多自由度运动微电铸装置，包括装置底座、电铸槽、循环过滤单元、阳极装夹单元和阴极装夹单元，在所述的装置底座上设有安装平台，所述的电铸槽设在所述的装置底座上，所述的安装平台上设有阴极水平往复平移机构，所述的阴极水平往复平移机构上设有阴极垂直升降机构，所述的阴极垂直升降机构上设有阴极定轴旋转机构，所述的阴极装夹单元安装在所述的阴极定轴旋转机构上，所述的阳极装夹单元和所述的阴极装夹单元竖直设置于所述的电铸槽内呈彼此面对。

所述的阴极水平移动机构的结构是：固定在所述的安装平台上的平移调速电机和两组通过导轨支座安装在所述的安装平台上的导轨以及滑动安装在所述的导轨上的平动滑块组，所述的平移调速电机的输出轴通过止转销轴与曲柄固定连接，所述的曲柄与所述的移动板通过关节球轴承和连杆连接，所述的平动滑块组上安装有移动板，所述的阴极垂直升降机构安装在所述的平动滑块组上。

所述的曲柄根据水平移动行程更换不同长度。

所述的阴极垂直升降机构的结构是：垂直升降支架与所述的平动滑块组固定连接，所述的垂直升降支架上设有滚珠丝杆滑台和与所述的滚珠丝杆滑台传动的升降电机，所述的滚珠丝杆滑台上设有升降滑台工作台，所述的升降滑台工作台上安装有一块悬臂板，所述的悬臂板上安装有所述的阴极定轴旋转机构。

所述的阴极定轴旋转机构的结构是：两根阴极安装柱垂直固定在所述的阴极垂直升降机构上，旋转调速电机通过电机安装座安装在所述的阴极安装柱上，所述的旋转调速电机通过刚性联轴器连接有光轴，空心阶梯轴通过滑动轴承座水平安装在所述的阴极安装柱上，所述的光轴与空心阶梯轴采用伞齿轮传动连接，所述的空心阶梯轴的一端通过电刷密封结构与电刷的一端连接，所述的电刷的另一端通过密封电刷固定座安装在所述的阴极安装柱上，所述的空心阶梯轴的另一端与所述的阴极装夹单元连接，电源导线从所述的电刷接出穿过所述的空心阶梯轴的中心通孔与所述的阴极装夹单元的导电钢基接通。

所述的光轴、空心阶梯轴、滑动轴承座采用耐腐蚀性工程塑料加工。

所述的阴极装夹单元包括装夹单元基座、阴极装夹单元盖板、导电钢基、导电压板和密封圈，随动屏蔽挡板由挡板和连接杆组成，所述的挡板通过连接杆固定安装在所述的阴极装夹单元的前端。

所述的连接杆为伸缩管，能调节所述的随动式屏蔽挡板与所述的阴极装夹单元表面距离。

采用上述技术方案的阴极多自由度运动微电铸装置，其优点是：

（1）能有效均化电铸过程中阴极表面电流分布密度：通过调节阴极旋转运动速度，并辅助一定形式的阴极平移运动，可减小电场的边缘集中效应，获得厚度较为均匀铸层。

（2）实现微电铸阴极表面高效对流传质：阴极运动***带动阴极的旋转及平行移动驱使其表面电铸液快速对流运动，利用液体对阴极表面微细结构的冲刷作用带来强烈搅拌，大大改善阴极表面电铸液浓度分布、增强传质过程，能有效提高电铸效率，获得微结构形貌、铸层性能良好铸层。

（3）能最大限度减少铸层表面气孔、砂眼等缺陷：阴极在电铸槽内垂直布置，相比于水平放置阴极更容易将电铸过程析出的氢气从阴极表面脱离，同时阴极的运动带来强烈扰动，也有助于气体的排出。

（4）相比于传统的固定式挡板，随动式屏蔽挡板在控制非圆形制件旋转电铸成型厚度均匀性方面有独特的优势，伸缩管结构可以根据工艺需求将挡板与夹具的间距调整至适当值。

附图说明

图1为阴极多自由度运动微电铸装置整体结构图。

图2为阴极多自由度运动微电铸装置正面视图。

图3为阴极多自由度运动微电铸装置阴极定轴转动机构局部图。

图4为阴极多自由度运动微电铸装置水平移动结构图。

图5为阴极多自由度运动微电铸装置阴极装夹单元结构图。

具体实施方式

如图1到5所示，一种阴极多自由度运动微电铸装置，包括装置底座1、安装平台11、位于安装平台11下方的电铸槽3，安装平台11上装有阴极运动***，阴极运动***包括阴极水平往复移动机构、安装在阴极水平往复移动机构上的阴极垂直升降机构、安装在阴极垂直升降机构上的阴极定轴旋转机构，电铸槽3内有阴极装夹单元13和阳极装夹单元21，此外，阴极多自由度运动微电铸装置还包括电循环过滤单元12和运动控制***。

阴极水平往复移动机构包括平移调速电机34和曲柄摆杆往复运动机构，曲柄摆杆往复运动机构由导轨滑块机构及曲柄32、连杆30构成，其中导轨滑块机构由紧固在安装平台11上的导轨支座27、安装在导轨支座27上的导轨28、滑动安装在导轨28上的平动滑块组29组合而成，垂直升降支架9通过角接件竖直固定于平动滑块组29侧边，平动滑块组29上连接有移动板10，平移调速电机34输出轴通过止转销轴33带动曲柄32做圆周运动，连杆30两端均通过螺纹连接有关节球轴承31，移动板10通过连杆30、关节球轴承31与曲柄32相连。

阴极垂直升降机构包括垂直升降支架9、滚珠丝杆滑台7、升降滑台工作台6和升降电机8构成，升降电机8和滚珠丝杆滑台7安装在垂直升降支架9上，升降滑台工作台6安装在滚珠丝杆滑台7上，升降电机8驱动升降电机8带动升降滑台工作台6沿导轨上下移动便于电铸制件的取样观察；悬臂板5通过螺钉固定在升降滑台工作台6上。阴极定轴旋转机构包括垂直悬挂安装在悬臂板5上的两根阴极安装柱4、固定在阴极安装柱4上有电机安装座18、密封电刷固定座19和一对滑动轴承座25，旋转调速电机20安装在电机安装座18内，旋转调速电机20的输出轴上通过刚性联轴器17与光轴16相连接；空心阶梯轴26横向穿过一对滑动轴承座25，通过轴肩定位；光轴16及空心阶梯轴26的一端分别紧钉有一对伞齿轮24，调节距离使伞齿轮24保持啮合，实现转动的转向；阴极装夹单元13通过螺纹安装在空心阶梯轴26的另一端。

电铸槽3呈长方体，采用耐腐蚀性工程塑料制成；电铸槽支座2置于电铸槽3下方，电铸槽支座2可拆卸并且可以调节高度；阳极装夹单元21采用钛合金制成，悬挂在电铸槽3内，与阴极装夹单元13呈彼此面对。

如图4所示，电刷密封结构22通过密封电刷固定座19固定于阴极安装柱4上，电源导线从电刷23接出穿过空心阶梯轴26中心通孔与阴极装夹单元13中导电钢基36接通，将电流传递到阴极表面。

如图5所示，阴极装夹单元13包括阴极装夹单元基座35、导电钢基36、导电压板39、密封圈40、阴极装夹单元盖板41和随动屏蔽挡板；随动屏蔽挡板由挡板43和伸缩管42组成，挡板43与阴极表面的距离可调整；导电钢基36、密封圈40嵌于阴极装夹单元基座35卡槽内，导电压板39将带有微结构的阴极母板38压在导电钢基36上；阴极装夹单元盖板41通过均布的紧固件37将各部件组合为一体。

装置底座上还有循环过滤单元12、***控制箱15，循环过滤单元12包括动力泵、滤芯、管路，实现铸液的精细过滤；***控制箱15可以控制阴极运动***的运动参数、控制铸液温度、ph值.

本发明在工作使用时：

1、将板状电解镍阳极竖直置于用钛合金制成的阳极装夹单元21中，阳极装夹单元21悬挂在电铸槽3侧壁上。

2、将导电钢基36嵌于阴极装夹单元基座35中，用导电压板39将表面金属化之后的阴极母板38压紧在导电钢基36上，把电流从导电钢基36引到阴极母板38表面，密封圈40嵌于阴极装夹单元基座35卡槽内，阴极装夹单元盖板41通过均布的紧固件37将各部件组合为一体，与空心阶梯轴26螺纹连接。

3、将电铸槽3置于电铸槽支座2上，打开升降电机8调节升降滑台工作台6高度，使阴极装夹单元13与阳极装夹单元21相正对，注入适量电铸液，以液面高过阴极装夹单元3到5mm为宜，并通过温控***保证电铸液恒温、开启循环过滤单元12保证电铸液清洁。

4、将脉冲电源阴极连接在电刷密封结构22内微小电刷23的输入端，微小电刷23输出线穿过空心阶梯轴26与阴极装夹单元13中的导电钢基36连接从而将负脉冲电源通过导电压板39传到阴极母板38表面；脉冲电源阳极与阳极装夹单元21连接。

5、打开旋转调速电机20，电机输出轴绕垂直轴向的转动通过刚性联轴器17、光轴16、伞齿轮24和空心阶梯轴26带动阴极装夹单元13在电铸液中绕水平轴转动。根据电铸工艺的需要，通过***控制箱15调节阴极的转向和转数，可以减缓阴极边缘的电流集中效应，改善铸层的厚度均匀性。打开平移调速电机34，电机输出轴的转动通过曲柄32、连杆30、导轨28、平动滑块组29组成的曲柄滑块机构带动垂直升降支架9做水平往复运动，从而带动阴极装夹单元13在电铸液中水平往复运动。根据电铸工艺的需要，通过***控制箱15调节阴极平移运动的速度和形式，周期性改变阴阳极间距，细化电铸层晶粒。电铸阴极装夹单元13在电铸过程中做多自由度运动，可以有效强化阴极表面传质过程，提高电铸效率、获得高质量铸层；同时，电铸阴极装夹单元13垂直布置于电铸槽3内，可及时排除电铸过程中产生的气体，避免铸层出现气孔氢脆等缺陷。

6、待微结构铸层厚度达到要求，切断各项供电电源，取出阴极母板38，经过清洗、干燥、去胶即可得到厚度均匀性好的高质量微电铸件。

Claims (7)

1.一种阴极多自由度运动微电铸装置，包括装置底座(1)、电铸槽(3)、循环过滤单元(12)、阳极装夹单元(21)和阴极装夹单元(13)，在所述的装置底座(1)上设有安装平台(11)，所述的电铸槽(3)设在所述的装置底座(1)上，所述的安装平台(11)上设有阴极水平往复平移机构，所述的阴极水平往复平移机构上设有阴极垂直升降机构，所述的阴极垂直升降机构上设有阴极定轴旋转机构，所述的阴极装夹单元(13)安装在所述的阴极定轴旋转机构上，所述的阳极装夹单元(21)和所述的阴极装夹单元(13)竖直置于所述的电铸槽(3)内呈彼此面对，其特征在于：所述的阴极水平往复平移机构的结构是：固定在所述的安装平台(11)上的平移调速电机(34)和两组通过导轨支座(27)安装在所述的安装平台(11)上的导轨(28)以及在所述的导轨(28)上滑动的平动滑块组(29)，所述的平动滑块组(29)上安装有移动板(10)，所述的平移调速电机(34)的输出轴通过止转销轴(33)与曲柄(32)固定连接，所述的曲柄(32)与所述的移动板(10)通过关节球轴承(31)和连杆(30)连接，所述的阴极垂直升降机构安装在所述的移动板(10)上。

2.根据权利要求1所述的阴极多自由度运动微电铸装置，其特征在于：所述的曲柄(32)根据水平移动行程更换不同长度。

3.根据权利要求1或2所述的阴极多自由度运动微电铸装置，其特征在于：所述的阴极垂直升降机构的结构是：垂直升降支架(9)与所述的移动板(10)固定连接，所述的垂直升降支架(9)上设有滚珠丝杆滑台(7)和与所述的滚珠丝杆滑台(7)传动的升降电机(8)，所述的滚珠丝杆滑台(7)上设有升降滑台工作台(6)，所述的升降滑台工作台(6)上安装有一块悬臂板(5)，所述的悬臂板(5)上安装有所述的阴极定轴旋转机构。

4.根据权利要求1所述的阴极多自由度运动微电铸装置，其特征在于：所述的阴极定轴旋转机构的结构是：两根阴极安装柱(4)垂直固定在所述的阴极垂直升降机构上，旋转调速电机(20)通过电机安装座(18)安装在所述的阴极安装柱(4)上，所述的旋转调速电机(20)通过刚性联轴器(17)连接有光轴(16)，空心阶梯轴(26)通过滑动轴承座(25)水平安装在所述的阴极安装柱(4)上，所述的光轴(16)与空心阶梯轴(26)采用一对伞齿轮(24)传动，所述的空心阶梯轴(26)的一端通过电刷密封结构(22)与电刷(23)的一端连接，所述的电刷(23)的另一端通过密封电刷固定座(19)安装在所述的阴极安装柱(4)上，所述的空心阶梯轴(26)的另一端与所述的阴极装夹单元(13)连接，电源导线从所述的电刷(23)接出穿过所述的空心阶梯轴(26)的中心通孔与所述的阴极装夹单元(13)的导电钢基(36)接通。

5.根据权利要求4所述的阴极多自由度运动微电铸装置，其特征在于：所述的光轴(16)、空心阶梯轴(26)、滑动轴承座(25)采用耐腐蚀性工程塑料加工。

6.根据权利要求1所述的阴极多自由度运动微电铸装置，其特征在于：所述的阴极装夹单元(13)包括装夹单元基座(35)、阴极装夹单元盖板(41)、导电钢基(36)、导电压板(39)和密封圈(40)，随动屏蔽挡板由挡板(43)和连接杆组成，所述的挡板(43)通过连接杆固定安装在所述的阴极装夹单元(13)的前端。

7.根据权利要求6所述的阴极多自由度运动微电铸装置，其特征在于：所述的连接杆为伸缩管(42)，能调节所述的随动式屏蔽挡板(43)与所述的阴极装夹单元(13)表面距离。