一种微米级金属件三维成型方法与流程

本发明涉及微型机械技术领域，尤其涉及一种微米级金属件三维成型方法。

背景技术：

科技发展使得高精度微小系统在电子信息、精密机械、船舶海工、航空航天、生物医药和国防等各大领域的应用越来越广泛。因此，各种结构尤其是微米级三维结构的精密部件的加工装备与工艺技术，已经成为制约这一系列发展进程的瓶颈问题之一。其中高硬度刀具(如金刚石)的超精密车削机床具有达到微米量级的极高定位精度，以及较多的自由度，并可以实现复杂微结构阵列的高精度、超光滑加工，在航空航天、半导体制造领域得到广泛应用。然而，虽然超精密金刚石切削技术的加工精度能够获得机床定位精度的保障。但是在实际加工过程中，时间跨度较大、刀具磨损等因素仍会导致加工误差。同时，对于高深宽比狭缝、凹槽、封闭三维腔等精密复杂微小结构，很难直接采用车削机床来实现整体构件的直接加工。

而电化学加工方案以离子形式的反应原理，可以实现制定金属材料的去除和增添。以此为基础，采用凹模填充的方法，合理的结构设计配合好，例如电解及电铸等电化学方法，可以实现微细零件的加工，在mems以及先进制造领域有这很好的发展前景。但是，对于具有精密规模化阵列结构的大尺寸样件、以及多向螺旋角及锥形等精密复杂微小结构配件等，电化学方案面临着模芯生产加工、大批量对准工艺、后续装配加工等问题。如何无损、宏量、低成本的加工，仍是这些方法走向成品样件及其他应用面临的最大发展瓶颈。

技术实现要素：

本发明提供了一种微米级金属件三维成型方法，用以解决现有技术中对于精密复杂微小结构的加工工艺存在直接加工、后续对准、装配等方面困难的技术问题。

鉴于上述问题，本发明提供了一种微米级金属件三维成型方法，所述方法包括：第1步：选择合适的固体材料作为支撑衬底；第2步：制备第零层原始牺牲层，作为结构层材料的支撑层，进行牺牲层薄膜沉积；第3步：制备第一层结构层，微细加工出完整的第一层结构层的结构，在所述第一层结构层之上制备第一层牺牲层，然后进行研磨抛光等平坦化工艺至所需的结构层图案完整露出；第4步：重复n次步骤三的过程，完成第n层结构层和第n层牺牲层的制备；第5步：制备第n+1层结构层制备，微细加工出完整的第n+1层结构层的结构，刻蚀去除n层牺牲层的局部区域材料，获得完整的微米级金属件样品。

优选的，所述第2步还包括：安装第零层牺牲层所需原材料靶材，调整工艺参数，进行第零层牺牲层材料制备，其中，所述工艺参数包括电压、电流、温度、时间。

优选的，所述支撑衬底为平面型或台阶型。

优选的，当所述支撑衬底为台阶型支撑衬底时，在所述第3步之前对所述支撑衬底增加平坦化工艺，从当前暴露的牺牲层开始研磨抛光，获取平坦化表面。

优选的，所述去除的局部区域材料的最大深度大于第n层结构层厚度。

优选的，所述第n层牺牲层的最大厚度大于等于第n-1层结构层的最大厚度。

优选的，所述第5步还包括：将根据结构设计采用微细加工方案对所述第n+1层结构层材料进行图形化加工，其中，完成加工的图形结构为具有单层图形结构或多层图形结构。

优选的，所述完成加工的第n+1层图形结构为任意直线走向和/或曲线走向图形截面。

优选的，所述微米级金属件样品的图形精度范围为0.1-500微米线宽量级。

优选的，所述第3步还包括：将根据结构设计采用微细加工方案对所述第n层结构层材料进行图形化加工，其中，完成加工的图形结构为具有单层图形结构或多层图形结构。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

在本发明实施例提供的一种微米级金属件三维成型方法，所述方法包括：选择合适的固体材料作为支撑衬底，然后第零层原始牺牲层制备作为结构层材料的支撑层；然后进行第一层结构层制备，并微细加工出完整的第一层材料层结构；然后进行第一层牺牲层制备，并平坦化至所需的结构层图案完整露出；根据加工样件的结构设计，总共进行n+1层结构层沉积与加工，在整体加工流程中，将总共循环重复n次从第3步的工艺过程，根据设计从第零层原始牺牲层制备只有开始循环重复n次；最后刻蚀去除牺牲层材料，获得完整的三维结构样品。通过采用电化学沉积进行不同种类的金属结构层及牺牲层材料的逐层生长，配合多轴数控加工平台逐步完成精密切削加工与平坦化，并通过进行牺牲层材料的选择性去除对来实现微型金属件的机械加工。实现精密三维结构的一次性直接制造，减少对准、装配等后续步骤，避免了精密微小零件装配带来的对准容差及成平率降低，可以大幅提升零件及系统级的制造精度、可靠性、降低加工成本的技术效果。从而解决了现有技术中对于精密复杂微小结构的加工工艺存在直接加工、后续对准、装配等方面困难的技术问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1为本发明实施例的一种微米级金属件三维成型方法的结构示意图；

图2a-2q为本发明实施例中一具体微米级金属件的工艺流程示意图；

图3为本发明实施例中柱形、弧形截面或者任意直线、曲线走向的隆起图形三维示意图；

图4为本发明实施例中微腔三维结构示意图；

图5为本发明实施例中联动结构金属微齿轮三维示意图；

图6a-6p为本发明实施例中另一具体微米级金属件的工艺流程示意图。

附图标记说明：衬底1，牺牲层2，结构层3。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种微米级金属件三维成型方法，解决了现有技术中对于精密复杂微小结构的加工工艺存在直接加工、后续对准、装配等方面困难的技术问题。

本发明实施例中的技术方法，总体思路如下：

第1步：选择合适的固体材料作为支撑衬底1；第2步：制备第零层原始牺牲层2，作为结构层3材料的支撑层，进行牺牲层2薄膜沉积；第3步：制备第一层结构层3，微细加工出完整的第一层结构层3的结构，在所述第一层结构层3之上制备第一层牺牲层2，然后进行研磨抛光等平坦化工艺至所需的结构层3图案完整露出；第4步：重复n次步骤三的过程，完成第n层结构层3和第n层牺牲层2的制备；第5步：制备第n+1层结构层3制备，微细加工出完整的第n+1层结构层3的结构，刻蚀去除n层牺牲层2的局部区域材料，获得完整的微米级金属件样品。达到了通过采用电化学沉积进行不同种类的金属结构层3及牺牲层2材料的逐层生长，配合多轴数控加工平台逐步完成精密切削加工与平坦化，并通过进行牺牲层2材料的选择性去除对来实现微型金属件的机械加工，实现精密三维结构的一次性直接制造，减少对准、装配等后续步骤，避免了精密微小零件装配带来的对准容差及成平率降低，可以大幅提升零件及系统级的制造精度、可靠性、降低加工成本的技术效果。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1为本发明实施例中一种微米级金属件三维成型方法的流程示意图。本发明实施例提供的一种微米级金属件三维成型方法，请参考图1，所述方法包括：

第1步：选择合适的固体材料作为支撑衬底1；第2步：制备第零层原始牺牲层2，作为结构层3材料的支撑层，进行牺牲层2薄膜沉积；第3步：制备第一层结构层3，微细加工出完整的第一层结构层3的结构，在所述第一层结构层3之上制备第一层牺牲层2，然后进行研磨抛光等平坦化工艺至所需的结构层3图案完整露出；第4步：重复n次步骤三的过程，完成第n层结构层3和第n层牺牲层2的制备；第5步：制备第n+1层结构层3制备，微细加工出完整的第n+1层结构层3的结构，刻蚀去除n层牺牲层2的局部区域材料，获得完整的微米级金属件样品。

具体而言，本发明实施例的微米级金属件三维成型方法，选择合适的固体材料作为支撑衬底1，彻底可以是平坦的平面衬底1或者具有台阶结构的形貌衬底1，然后第零层原始牺牲层2制备作为结构层3材料的支撑层，根据工艺选择合理的牺牲层2材料作为结构层3材料的支撑层；然后进行第一层结构层3制备，并微细加工出完整的第一层材料层结构；然后进行第一层牺牲层2制备，并平坦化至所需的结构层3图案完整露出，在进行平坦化中，根据牺牲层2及结构层3选择合理的平坦化方案，从暴露的牺牲层2开始研磨抛光，获取平坦化表面以提升后续薄膜生长的均匀性与效率，降低凹槽无法完全致密的薄膜覆盖带来的器件失效；接着根据加工样件的结构设计，总共进行n+1层结构层3沉积与加工，在整体加工流程中，将总共循环重复n次从第3步的工艺过程，根据设计从第零层原始牺牲层2制备只有开始循环重复n次，在完成所需某层结构层3材料电铸之后，或者完成所有结构层3及牺牲层2材料电铸之后，可以采用热处理的方式调整材料晶格结构，以达到降低界面及材料内部应力及应力梯度、提升材料粘附性、机械性能、电学性能、表面光洁度等目标，最后刻蚀去除牺牲层2材料，获得完整的三维结构样品。通过采用电化学沉积进行不同种类的金属结构层3及牺牲层2材料的逐层生长，配合多轴数控加工平台逐步完成精密切削加工与平坦化，并通过进行牺牲层2材料的选择性去除对来实现微型金属件的机械加工。实现精密三维结构的一次性直接制造，减少对准、装配等后续步骤，避免了精密微小零件装配带来的对准容差及成平率降低，可以大幅提升零件及系统级的制造精度、可靠性、降低加工成本的技术效果。从而解决了现有技术中对于精密复杂微小结构的加工工艺存在直接加工、后续对准、装配等方面困难的技术问题。

另外，根据加工样件的结构设计工艺流程会略有不同，根据具体加工样件，具体为：附着于衬底1的三维立体结构，采用该方案可以在单片衬底1上批量加工出附着于衬底1的完整的三维结构样品。该工艺选择合适的固体材料作为支撑衬底1；然后第零层原始牺牲层2制备作为结构层3材料的支撑层；然后进行第一层结构层3制备，并微细加工出完整的第一层材料层结构；然后进行第一层牺牲层2制备，并平坦化至所需的结构层3图案完整露出；然后根据设计从第零层原始牺牲层2制备只有开始循环重复n次；最后刻蚀去除牺牲层2材料，获得完整的三维结构样品。

在单片衬底1上批量加工出附着于衬底1的三层以上完整的三维结构样品,具体过程参照图2a-2q所示，该工艺选择合适的固体材料作为支撑衬底1；然后第零层原始牺牲层2制备作为结构层3材料的支撑层；然后进行第一层结构层3制备，并微细加工出完整的第一层材料层结构；然后进行第一层牺牲层2制备，并平坦化至所需的结构层3图案完整露出；然后根据设计从第零层原始牺牲层2制备只有开始循环重复3次；最后刻蚀去除牺牲层2材料，获得完整的三维结构样品。结合图2a-2q具体的分析步骤为：如图2a所示为选择合适的固体材料作为支撑衬底1；图2b为第零层原始牺牲层2制备，作为结构层3材料的支撑层；图2c为第一层结构层3制备；图2d为微细加工出完整的第1层材料层结构；图2e为第一层牺牲层2制备；图2f为进行研磨抛光等平坦化工艺至所需的第一层结构层3图案完整露出；图2g为第2层结构层3制备；图2h为微细加工出完整的第二层材料层结构；图2i为第2层牺牲层2制备；图2j为进行研磨抛光等平坦化工艺至所需的第2层结构层3图案完整露出；图2k为第三层结构层3制备；图2l为微细加工出完整的第三层材料层结构，完成加工的图形结构可以具有单层图形结构或者多层结构图形结构可以具有锥形、柱形的图形截面，或者任意直线走向、曲线走向图形截面；图2m为第3层牺牲层2制备；图2n为进行研磨抛光等平坦化工艺至所需的第3层结构层3图案完整露出；图2o为第四层结构层3制备；图2p为微细加工出完整的第四层材料层结构，完成加工的图形结构可以具有单层图形结构或者多层结构图形结构可以具有锥形、柱形的图形截面，或者任意直线走向、曲线走向图形截面。在该加工过程中，可以利用合理的设计，使得局部区域去除材料的总深度大于第四层结构层3材料厚度，以精简步骤数金属样的总体加工流程步骤数；图2q为刻蚀去除牺牲层2材料，获得独立的完整的三维结构样品。

批量制备独立的三维立体结构，采用该方案可以在单片衬底1上批量加工出附着于衬底1的完整的三维结构样品。该工艺选择合适的固体材料作为支撑衬底1；然后第零层原始牺牲层2制备作为结构层3材料的支撑层；然后进行第一层结构层3制备，并微细加工出完整的第一层材料层结构；然后进行第一层牺牲层2制备，并平坦化至所需的结构层3图案完整露出；然后根据设计从第零层原始牺牲层2制备只有开始循环重复n次；最后刻蚀去除牺牲层2材料，获得完整的三维结构样品。

在单片衬底1上批量加工出三层以上完整的三维结构样品，该工艺选择合适的固体材料作为支撑衬底1；然后第零层原始牺牲层2制备作为结构层3材料的支撑层；然后进行第一层结构层3制备，并微细加工出完整的第一层材料层结构；然后进行第一层牺牲层2制备，并平坦化至所需的结构层3图案完整露出；然后根据设计从第零层原始牺牲层2制备只有开始循环重复3次；最后刻蚀去除牺牲层2材料，获得完整的三维结构样品。具体工艺流程请参考图6a-图6p所示，图6a为选择合适的固体材料作为支撑衬底1；图6b为第一层结构层3制备；图6c为微细加工出完整的第一层材料层结构；图6d为第一层牺牲层2制备；图6e为进行研磨抛光等平坦化工艺至所需的第一层结构层3图案完整露出；图6f为第二层结构层3制备；图6g为微细加工出完整的第二层材料层结构；图6h为第二层牺牲层2制备；图6i为进行研磨抛光等平坦化工艺至所需的第二层结构层3图案完整露出；图6j为第三层结构层3制备；图6k为微细加工出完整的第三层材料层结构，完成加工的图形结构可以具有单层形结构或者多层结构图形结构可以具有锥形、柱形的图形截面，或者任意直线走向、曲线走向图形截面；图6l为第三层牺牲层2制备；图6m为进行研磨抛光等平坦化工艺至所需的第三层结构层3图案完整露出；图6n为第四层结构层3制备；图6o为微细加工出完整的第四层材料层结构，完成加工的图形结构可以具有单层图形结构或者多层结构图形结构可以具有锥形、柱形的图形截面，或者任意直线走向、曲线走向图形截面。在该加工过程中，可以利用合理的设计，使得局部区域去除材料的总深度大于第4层结构层3材料厚度，以精简步骤数金属样的总体加工流程步骤数；图6p为刻蚀去除牺牲层2材料，获得附着于衬底的完整的三维结构样品，从而完成整个工艺流程。

本发明实施例的方法是一种简单易行的高精度加工技术，可以实现任意结构微型金属件的立体三维机械加工。举例而言，可以进行腔(如图4所示)、槽、台阶等任意特征的结构成型，其中腔、槽、台阶等特征可以具有锥形、柱形、弧形结构截面，或者任意直线、曲线走向的图形(如图3所示)。实现精密三维结构的一次性直接制造，减少对准、装配等后续步骤，避免了精密微小零件装配带来的对准容差及成平率降低，可以大幅提升零件及系统级的制造精度、可靠性、降低加工成本。例如，发明实施例的方法还可以通过设计进行齿轮、杠杆、齿条等各种多联动结构制造(如图5所示)，能够实现精密传动机构的一次性直接制造，减少对准、装配等后续步骤，大幅提升系统级制造精度、降低加工成本。

进一步的，所述第2步还包括：安装第零层牺牲层2所需原材料靶材，调整工艺参数，进行第零层牺牲层2材料制备，其中，所述工艺参数包括电压、电流、温度、时间。

具体的，在第2步的第n层牺牲层2制备中，安装第n层牺牲层2所需原材料靶材；调整电压、电流、温度、时间等工艺参数；进行第n层牺牲层2材料制备；制备出所需厚度的第n层牺牲层2材料。

进一步的，所述支撑衬底1为平面型或台阶型。

进一步的，当所述支撑衬底1为台阶型支撑衬底1时，在所述第3步之前对所述支撑衬底1增加平坦化工艺，从当前暴露的牺牲层2开始研磨抛光，获取平坦化表面。

进一步的，所述去除的局部区域材料的最大深度大于第n层结构层3厚度。在该加工过程中，可以利用合理的设计，使得局部区域去除材料的最大深度h3.n大于第n层结构层3材料厚度h1.n，以精简步骤数金属样的总体加工流程步骤数。同时，去除工艺将使得暴露出的第n层结构层3厚度减薄h1.n.2，将使得剩余的第n层结构层3总厚度达到设计厚度h1.n.1。

进一步的，所述第n层牺牲层2的最大厚度大于等于第n-1层结构层3的最大厚度。

具体而言，每一层要厚于前一层，此次沉积的第n+1层结构层3薄膜厚度h1.n+1(h1.n+1＝h1.n+1.1+h1.n+1.2)需要大于所设计的该层结构所需厚度h1.n+1.1，以留出后续平坦化工艺所需的厚度余量h1.n+1.2。

进一步的，所述第5步还包括：将根据结构设计采用微细加工方案对所述第n+1层结构层3材料进行图形化加工，其中，完成加工的图形结构为具有单层图形结构或多层图形结构。另外，在第5步去除牺牲层2材料工艺中，可以采用刻蚀工艺去除该步工艺中存在的所有牺牲层2材料，也可以选择性部分去除黏着在结构层3材料上的牺牲层2材料，以保证在设定的刻蚀时间内，所有结构层3材料表面不再附着牺牲层2材料。也可以采用湿法腐蚀、各向同性干法刻蚀、各向异性与各向同性相辅助的干法刻蚀等工艺进行牺牲层2去除。可以采用超声、等离子体、温度控制、机械搅拌、磁力搅拌等方法提升牺牲层2去除的释放工艺效率。可以采用酒精、丙酮、异丙醇等单一或者混合溶剂进行清洗，以提升释放工艺的成品率。可以采用升温与降温的速率控制、不同挥发性溶剂顺次替换清洗、等方法，来保证释放工艺的可靠性，降低金属件成型前的形变或者失效，以提升工艺成品率。

进一步的，所述完成加工的第n+1层图形结构为任意直线走向和/或曲线走向图形截面。

进一步的，所述微米级金属件样品的图形精度范围为0.1-500微米线宽量级。具体的，图形化加工可以采用车、铣、磨、刨、绞、镗，研磨，珩磨，超精研，砂带磨，镜面磨削，冷压加工等方法进行精细加工，并采用电场、磁场、热场、光场、声厂等辅助方案进行精细加工。

进一步的，所述第3步还包括：将根据结构设计采用微细加工方案对所述第n层结构层3材料进行图形化加工，其中，完成加工的图形结构为具有单层图形结构或多层图形结构。

具体的，图形加工可以采用多轴(如五轴)联动精密机床，配合相应的运动控制器、工控机、数控软件、位置反馈系统、进给系统伺服驱动器、主轴伺服驱动器等组成的高性能数控系统等数控配件，对样件工艺可靠性、系统重复性进行全面的控制，以使得完成加工的金属件实现微米级的批量成型。

本发明实施例的方法主要步骤包括采用电化学沉积进行不同种类的金属结构层3及牺牲层2材料的逐层生长、逐层加工及平坦化。整套工艺配合多轴数控加工平台逐层完成精密切削加工，并通过进行牺牲层2材料的选择性去除，可以对任意结构金属件实现三维立体微型机械加工。该方案是一种简单易行的高精度加工技术，能够实现精密三维结构的一次性直接制造，减少对准、装配等后续步骤，避免了精密微小零件装配带来的对准容差及成平率降低，可以大幅提升零件及系统级的制造精度、可靠性、降低加工成本。同时，该方法与传统机械加工大规模制造工艺通融，可使精密微小零件及局域化结构的制造研发沿用大规模机械加工工艺，工艺流程简单可控，重复性好，可用于自动化宏量生产。该方法能大幅提升精密微小零件及局域化结构的可靠性、降低制造成本，可以广泛应用于电子信息、精密机械、船舶海工、航空航天、生物医药和国防等领域。

本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本发明实施例提供的一种微米级金属件三维成型方法，所述方法包括：选择合适的固体材料作为支撑衬底，然后第零层原始牺牲层制备作为结构层材料的支撑层；然后进行第一层结构层制备，并微细加工出完整的第一层材料层结构；然后进行第一层牺牲层制备，并平坦化至所需的结构层图案完整露出；根据加工样件的结构设计，总共进行n+1层结构层沉积与加工，在整体加工流程中，将总共循环重复n次从第3步的工艺过程，根据设计从第零层原始牺牲层制备只有开始循环重复n次；最后刻蚀去除牺牲层材料，获得完整的三维结构样品。通过采用电化学沉积进行不同种类的金属结构层及牺牲层材料的逐层生长，配合多轴数控加工平台逐步完成精密切削加工与平坦化，并通过进行牺牲层材料的选择性去除对来实现微型金属件的机械加工。实现精密三维结构的一次性直接制造，减少对准、装配等后续步骤，避免了精密微小零件装配带来的对准容差及成平率降低，可以大幅提升零件及系统级的制造精度、可靠性、降低加工成本的技术效果。从而解决了现有技术中对于精密复杂微小结构的加工工艺存在直接加工、后续对准、装配等方面困难的技术问题。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。