1研究精密小孔的硼硅玻璃使用 microEDM結合微超聲振動加工文摘由于其優(yōu)良的陽極鍵合性能和表面完整性、硼硅玻璃通常用作的基質(zhì)微機電系統(tǒng)(MEMS)。為構建通信接口,需要鉆小孔襯底。 然而,微孔直徑低于200年μm很難生產(chǎn)使用傳統(tǒng)加工過程。來解決這個問題,一種加工方法,結合微電火花加工(MEDM)和微超聲振動生產(chǎn)加工(MUSM)提出本精密小孔高硼硅玻璃的縱橫比。在本文中描述的調(diào)查,一個圓形的試件進行生產(chǎn)使用MEDM過程。這個工具被用來鉆一個洞在玻。實驗表明,使用合適的加工參數(shù),直徑出入口之間的差異(DVEE)可能達到的值約2μm小孔直徑約150500μmμm和深度。DVEE可以改善如果適當?shù)哪酀{濃度;超聲振幅或轉速是利用。圓度調(diào)查,旋轉速度有密切的關系程度的微觀孔的圓度。小孔的圓度值約2μm(max。減去分鐘半徑)可以獲得采用適當?shù)霓D速。?2002 愛思唯爾的科學有限公司版權所有。關鍵詞:硼硅玻璃;微電火花加工;微超聲振動加工;微孔;試件;高縱橫比1.介紹在包裝MEMS-related設備,例如微閥和微流量傳感器等,硼硅玻璃通常是用作鍵與硅襯底晶片。建立電氣通過通道和連接硅片之間的內(nèi)部系統(tǒng)和環(huán)境,小孔鉆在玻璃表面保稅。鉆井這些困難與傳統(tǒng)加工過程。有幾種方法用來制造小孔,MEDM(1、3、5、8、9、11],準分子激光鉆井[6],聯(lián)賽(2、10),電化學放電加工(ECDM)[12]和MUSM(4、7)等。由于不同的工作機制,這些方法產(chǎn)生的結果是截然不同的。例如,MEDMμm 160微孔的直徑和深度380μm可以鉆在2分鐘內(nèi)[5]。MEDM只能用于生產(chǎn)導電材料在加工和重鑄層表面,含有隕石坑和微裂縫會導致表面和尺寸精度差。激光微加工技術可用于制造下一個洞直徑4μm[6]。然而,激光加工造成惡化和加工表面的微裂紋。西甲技術被發(fā)現(xiàn)適合生產(chǎn)三維微觀結構與小孔金屬、聚合物和陶瓷[2、10]。然而,聯(lián)賽方法影響配置精密微孔加工高縱橫比的,因為光的衍射(如 x 射線)。ECDM 可以提高材料去除率(MRR)和表面粗糙度 1.5 毫米/分鐘和0.08μm 分別[12],但與化學腐蝕,墻上的小孔將被證明是成功的在困難和脆性材料。Masuzawa 等人證明了小孔小至 5μm(深度 10μm)和三維微機器可以創(chuàng)建通過結合線電火花磨削(WEDG 放電),MEDM 和 MUSM(4、7)。因為 MUSM 依賴于微機械力量去除材料,對于高縱橫比的微孔加工,小型機械力量的變化可以有重大的后果對制造業(yè)的穩(wěn)定性和精度。此外,機械力量主導的精度。此外,機械力量主導 MUSM 參數(shù)。尚未進行深入研究這些參數(shù)如何影響制造業(yè)的穩(wěn)定性和準確性。加工方法結合 MEDM 和 MUSM 設計完成高縱橫比的小孔。在整個加工過程中,微刀相同的夾具,所以工具偏心問題是可以避免的。避免在制造過程 微刀振蕩或打破,超聲波儀器成立震動工件。 這種安排選舉中小孔的加工精度。22.方法2.1. 試驗裝置實驗設備由EDM機,作為選取控制系統(tǒng)和超聲加工單位(如圖1所示)。選取控制系統(tǒng)固定到EDM工作臺。這里的硼硅玻璃或銅盤沿前后方向移動使用電動機X和上下移動使用電動機Y .微觀工具被夾成水平卡盤旋轉由電動機電動機C和定向左派和右派Z汽車的運動分辨率X,Y,Z是0.2μmμmμm 0.2和0.2,分別。圖 1.MEDM 和 MUSM 設備的配置:U,超聲振動設備;操作系統(tǒng),光學規(guī)模;OP,光學規(guī)模計數(shù)器;X,Y 和 Z,汽車 forx - Y -和 z-axes 運動;銅 (銅板)、EDM 電極;H,旋轉卡盤夾 ;t,試件;D,計算機控制顯示,C,c-axis旋轉電動機;ID、接口 circuitand 電機驅(qū)動;G 函數(shù)發(fā)生器;CPU、電腦。啟用刪除碎片很容易從小孔 MUSM 期間,進行加工操作水平。超聲波加工單位(包括頻率、30 千赫)電子發(fā)生器,傳感器和 horn-tool 組合設備。該工具是一個圓柱形桿螺紋角尖。一小塊的硼硅玻璃化學粘到一個小矩形板[4]在工具提示(如圖 2 所示)。2.2. 材料硼硅玻璃(Pyrex,康寧 7740)是一種硅成分具有優(yōu)良的陽極鍵合性能,表面完整性、熱性能和耐酸性。這個玻璃一直擔任微傳感器襯底。 因為硼硅玻璃是硬和脆,它的方法。維持精確的微孔大小,非常適合微孔鉆井使用 MUSM 工具[4]。微孔精度可以提高通過使用石油作為泥漿介質(zhì)(13 - 15)。硅卡賓槍谷物,懸浮在煤油,被選為工作泥漿的濃度是 10%,20%和 30%的 MUSM 過程。和平均磨料尺寸1.2μm(大約 75%的粒子大小從 0.9 到 0.9μm)和 3μm(大約 75%的粒子大小從 2.6到 2.6μm)。32.3. 加工過程被分成兩個主要的加工流程部分。首先,碳化鎢桿制成試件用銅版的電極MEDM一步。 這個工具是與MUSM然后使用硼硅玻璃的微孔鉆探的過程。上面的程序詳細描述如下:電火花加工試件,循環(huán)碳化鎢桿是固定在水平方向和旋轉時鐘-明智的。與此同時,一個銅板被綁跳汰機和自動上下垂直移動。的直徑降低了移動的工具板邊(如圖3所示(一個))和EDM介質(zhì)噴灑到工作區(qū)域MEDM時開始。完成的試件進行長約2毫米,直徑150μm。產(chǎn)生高應力集中在工件MUSM,前端電路的試件直徑減少到20μm和長度0.2毫米。圖3(b)顯示微刀完成。實驗參數(shù)MEDM流程表1中列出。查克的試件,微孔使用MUSM鉆的玻璃。減少工具的磨損在低級別(15),該工具可以-之前沒有接觸到工件加工過程開始,所以它存在之間的工具,約0.1毫米玻璃表面加工過程時,開始寧。微孔加工過程中,微觀喂養(yǎng)工具伴隨著噴漿與超聲振動利用制造玻璃(如圖2所示)。砂漿的流量是450毫升/分鐘。表2列出了實驗參數(shù)MUSM流程。圖2.實驗儀器的細節(jié)圖MUSM過程。圖3。試件加工過程和試件在MEDM過程完成。(b)完成試件形狀。4表1 表2實驗MEDM參數(shù) 實驗MUSM參數(shù)工件的圓桿,碳化鎢(甘藍型) 縱向超聲振動方向銅電極 超聲振動頻率30千赫工作煤油 超聲振動振幅(μm)1.2,1.4,1.6,1.8,2.0,2.2轉速150 微工具轉速(rpm)50,100,150,200,200工件(rpm) 進給速率(μm /分鐘),6.7,7.5,8.6,10極性+(粗糙);(完成) 漿濃度(wt %)10%,20%,30%打開負載電壓(100 V) 平均磨料尺寸(μm)1.2,3工作電壓(V)25放電電流(A)0.95、1.45脈沖持續(xù)時間(μs)4、10時間(μs)4、103.實驗結果除了評估精度的高精度微孔大小,形狀精度和表面粗糙度估計。因此,下面的討論分為三個主要部分:(A)的入口和出口之間的DVEE,(B)圓度和(C)表面粗糙度。 微孔的精度影響。因素包括漿濃度、磨料粒度和MUSM加工參數(shù)。3.1.1.磨料漿濃度和粒徑的影響磨料漿的濃度和粒度是最重要的影響因素MUSM加工精度。磨料漿濃度高、材料被加工表面的研磨谷物將快于泥漿濃度越低?？焖俪牧现g的摩擦將會減少微刀前端和加工過程。DVEE將使用泥漿濃度高時低。圖4顯示,平均磨料尺寸是否1.2μmor3μm DVEE泥漿濃度會發(fā)生小于20%漿濃度10%。但DVEE泥漿濃度達到30%時變得更大。20%濃度提供了幾乎兩倍磨料粒子制造孔比10%濃度的平均大小1.2μm,導致DVEE變得更小。然而,由于微孔加工是設置在橫向模式下,磨料磨具洞入口之間的聚集和工具,這些粒子被旋轉工具,被送入洞超聲波振幅。但這將阻礙研磨劑進入洞時的粒子之間的聚集太多洞入口和工具,從而影響微孔DVEE的。漿濃度30%,這種情況將變得清晰,所以效果明顯降低。此外,平均晶粒尺寸(3μm)比超聲波振幅(1.8μm),誘導磨料磨具在MUSM很難進入洞。所以DVEE加工影響并不明顯比小的晶粒尺寸。圖4還表明,采用平均1.2μm 大小創(chuàng)建DVEE比3μm平均粒子的大小。在同一濃度,小顆粒更均勻懸浮在泥漿和容易進入比大一個洞。然而,MRR并不為每個谷物。因此,平滑的加工表面,更直的交叉截面微孔可以獲得,提高DVEE小孔。獲得更好的完成效果,以下實驗使用粒子濃度20%的平均直徑1.2μm。3.1.2.超聲振動振幅的影響在超聲電機程序,大型加工工具導致更高的MRR(15、16)。加工工具可能彎曲在鉆井過程中超聲振動時振幅很大。這將影響到精確的漏洞。 在MUSM這種現(xiàn)象更明顯。在這些實驗中,超聲波振幅測量使用工具顯微鏡(1000×)三次(在空氣中),然后把平均工作振幅。圖5給出了超聲振動振幅對DVEE的影響。圖中顯示,5DVEE隨振幅增加而降低μmμm從1.2到1.2。DVEE增加當振幅增加從1.8μmμm到2.2。這表明適當?shù)恼穹鶗黾有】椎膰乐敗Ｈ欢?利用較小的振幅制造小孔將增加試件的加工時間和導致更多的磨損,產(chǎn)生更大的DVEE。此外,加工時間變得更短的振幅。是增加了。這減少了磨損試件。低DVEE可能因此被發(fā)現(xiàn)。由于的細長比MUSM過程,微刀會彎曲,因為更大的振幅。這誘導不規(guī)則小孔的加工(如圖6所示),使DVEE值大。的微刀不規(guī)則孔加工時也可以打破變得嚴重。圖4.磨料漿的濃度和粒度的影響 圖5.通過MUSM DVEE超聲振動振幅 通過MUSM DVEE。 的影響。 圖6。超聲波產(chǎn)生的不規(guī)則的微孔的擴張平均振幅2.2μm(磨料尺寸3μm) 3.1.3.微刀的旋轉速度的影響微刀的轉速也是一個關鍵參數(shù)影響小孔精度。因為一個旋轉工具可以協(xié)助懸浮粒子進入微孔,這種安排可以驅(qū)動MUSM過程中顆粒磨洞。因此,DVEE小孔,所產(chǎn)生的旋轉工具,如果不旋轉的工具會更好。圖7顯示了在DVEE轉速的影響。實驗證明了DVEE小當轉速增加到50歲rpm 150 rpm。 DVEE改變時轉速增加從150轉到250轉。這表明正確的旋轉速度提高小孔精度。磨料粒子被喂進洞里通過旋轉工具和超聲波振動。在相同的振動模式,數(shù)量的磨料顆粒送入洞旋轉在開始階段的速度增加。制造效率因此增大,試件穿了,所以小DVEE可以獲得。工具的磨損和孔表面當轉速增加了磨料顆粒增加[17]。這個結果將會更加清晰6速度。此外,切削過程的穩(wěn)定性也受到很高的速度。由于這些原因,DVEE不僅成為大但也很明顯150轉后改變了。3.1.4.微刀加料速度的影響DVEE在受飼料問:第一次MUSM時美國利率的變化。在這些實驗中,飼料利率應用程序接口來控制電動機Z和光學規(guī)模,生產(chǎn)不斷飼料利率。圖8細節(jié)如提要DVEE利率。這個數(shù)字顯示,DVEE較小的進給速率較低時使用。DVEE成為大當一個大進給速率。然而,試件端面之間的差距和玻璃的臉變得較小的更大的進給速率時使用。這個較小的差距導致泥漿流通不好。當這發(fā)生時,減少磨料粒子進入通過MUSM差距,導致沒有很好的工作效果;工具的前端這個加工過程中產(chǎn)生更多的磨損。因此,DVEE變得大了。圖9顯示了一個穿試件進行的掃描電鏡照片。圖9(一)代表的小圓形一步前端的試件進行嚴重磨損較大飼料加工速度(8.6μm /分鐘)。工具遭受更少穿在同一位置時使用一個較小的進給速率(6μm /分鐘),如圖所示圖9(b)3.2、圓度超聲電機的流程、工具旋轉或不肯定影響孔的圓度(15、18)。工具旋轉艾滋病懸浮粒子進入洞,從而提高超聲電機的工作效率。旋轉工具也能導致顆粒磨孔,從而提高孔的圓度。更好的旋轉速度從50到150 rpm。圓度值成為較大的轉速時從150增加到250 rpm。這是類似于對DVEE轉速的影響。然而,高轉速不僅造成更多的工具磨損,而且誘發(fā)不穩(wěn)定在切割過程中,促使顯然失圓的小孔后150 rpm。在這些實驗中,最好的圓度值在本研究發(fā)現(xiàn)約2μm。圖11給出了小孔產(chǎn)生可接受的出入口在150轉的轉速。7圖9.試件的SEM MUSM后穿。(一)更高的飼料8.6μm /分鐘的速度。(b)在適當?shù)娘暳下?μm /分鐘。3.3.粗糙度在超聲電機過程中,工具的旋轉效應可以推動磨料顆粒磨孔表面。因此,表面粗糙度值一般小于磨料顆粒大小(4、15、18)。因為沒有設備可以測量表面rough-ness小孔的研究、SEM照片用于討論晶粒尺寸的影響。圖12顯示了一個截面的表面微孔和洞。在圖12(a),微孔的橫截面與連續(xù)公平和形狀。圖12(b)和(c)顯示放大的照片孔表面加工時不同的磨料顆粒大小。(b)的表面制造使用平均糧食3μm;(c)是使用一個平均粒1.2μm完成。這些工作表面兩位數(shù)清楚地說明,仍然有一些隕石坑和大晶粒尺寸時不是很順利。表面非常光滑,幾乎沒有坑小晶粒尺寸時應用。因此,較小的磨料顆粒大小對微孔表面粗糙度的影響更大。8圖11.小孔的形狀通過MUSM在每分鐘150轉的轉速。(一)微孔的入口。(b)微孔的出口。圖10.MUSM轉速對圓度的影響。圖12.的橫截面和表面通過MUSM小孔。(一)微孔的橫截面。(b)的表面微孔用3μm平均大小。(c)的表面微孔使用平均大小1.2μm生產(chǎn)。4.結論與高縱橫比硼硅玻璃鉆小孔,工作方法結合MEDM MUSM發(fā)達。因為試件沒有拆除的夾具通過不同的工作流程,一個好的工具集中性水平可以保持在加工程序。9高度精確的小孔直徑約150生產(chǎn)DVEE更好。MUSM過程,微孔圓度對試件進行轉速有密切的關系。實驗顯示,轉速對圓度的影響類似于對DVEE轉速的影響。因此,為了更好的微孔圓度,選擇適當?shù)霓D速是很重要的。此外,小孔的表面粗糙度明顯受到磨料粒子的大小的影響。結果表明,可以獲得更好的表面粗糙度時小μm磨料顆粒大小和深度500μm通過制造MUSM方法。 實驗表明,DVEE受到泥漿濃度、超聲振動ampli ——態(tài)度或試件的轉速。這些參數(shù)的值存在哪個DVEE最低。更大或更小的值導致DVEE增加。此外,較小的粒子大小或試件進行飼料利率。確認作者要感謝國家科學委員會中華民國號合同下的財務支持本研究。國家安全委員會89 - 2212 - e - 008 - 008。