專利名稱:Mems微器件的表面改性處理方法及裝置的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及微機械制造領域,特指一種基于高能脈沖激光噴丸技術的微器件表面處理方法和裝置,其適用于MEMS微器件的表面改性。特別適用于用常規(guī)方法難以實現(xiàn)的表面改性處理或針對特定區(qū)域局部選擇性強化處理,適合微器件的低成本批量化生產(chǎn)。
背景技術:
微構件在工作過程中通常受到熱、力等交變載荷的作用,易發(fā)生變形、斷裂、磨損和疲勞破壞,從而引起微結構的失效,進而導致整個MEMS的失效。因此,微器件除了要有精確的外形外,還要求具備較高的機械力學性能和表面質量,必須對微構件關鍵表面進行強化處理,以提高其機械性能。目前,針對多晶體硅材料的微構件易磨損性能,采用一系列方法進行表面處理來保護接觸面,如分子薄膜和氣相潤滑等,最近,Steven A. Smallwood等人研究了金剛石薄膜對微構件表面的保護作用。但是對于金屬微構件的表面處理的研究涉及較少。傳統(tǒng)的金屬表面改性方法有滲碳、激光熔覆、機械噴丸、激光噴丸等,由于微器件尺寸小,精度要求高,因此傳統(tǒng)的方法很難實現(xiàn)對金屬微器件的表面處理,不能滿足零件的使用要求和性能。 激光噴丸強化是提高機械零部件疲勞斷裂抗力、應力腐蝕、氫脆斷裂抗力的一種行之有效的表面處理技術,其利用高能脈沖激光束替代有質彈丸實施零件沖擊,沖擊表面無明顯的機械損傷,表面粗糙度值低,光潔度好。而且激光參數(shù)、作用時間、噴丸軌跡及聚焦光斑尺寸精確可控,且處理過程是非接觸的,因此具有很大的柔性。這賦予激光噴丸加工技術確定性、可重復性以及快速自動化批量生產(chǎn)的優(yōu)勢。美國通用電氣公司RTIZ JR ANGELL申請專利Laser Peening System and Method,專利號4937421,其利用激光噴丸在工件表面產(chǎn)生殘余應力,能夠大大提高工件的抗疲勞特性。但是目前已取得的成果大多集中在激光能量數(shù)焦耳至數(shù)十焦耳之間,光斑尺寸為mm量級,主要面向宏觀尺寸的金屬結構件處理。要實現(xiàn)對微構件的噴丸強化處理,必須將光斑控制在um量級。 激光微噴丸強化并非激光噴丸的簡單微型化,微型化帶來的尺寸效應為噴丸工藝和參數(shù)選擇和路徑設計等方面都有影響。2000年以來,國外Y.Lawrence Yao和WenwuZhang等人率先開始對激光微噴丸進行研究。2002年,他們在銅靶試樣上獲得了幾十微米深度分布的殘余壓應力,實現(xiàn)其機械性能的改善。隨后,他們對90 m厚的銅箔進行了激光噴丸誘導殘余應力的實驗研究和數(shù)值模擬分析,進一步驗證了 PLSP可行性,2003年,Hongqiang Chen和Y. Lawrence Yao等人在同步加速光源的技術上,采用基于強度對照方法的微衍射技術,實現(xiàn)了對微噴丸處理后的銅板和鋁板的表面殘余應力試驗測量。目前對激光微噴丸技術的研究只停留在工藝參數(shù)優(yōu)化和噴丸效果的表征上,而對微構件噴丸強化過程中,由于微構件的"微小特征"所涉及的安裝方法、噴丸效果的在線檢測沒有研究。本發(fā)明考慮微結構表面處理的"微小特征"和"尺度效應",利用CCD監(jiān)控系統(tǒng)對處理區(qū)域進行定位,X射線微衍射儀進行殘余應力在線檢測,能夠對問題零件或問題區(qū)域及時進行處理,提高MEMS微結構的使用壽命。
目前尚未檢索到面向MEMS微器件表面采用激光微噴丸技術提高其力學性能的處理方法和裝置方面的相關專利。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種強激光微噴丸強化的方法及裝置,實現(xiàn)具有"微小特征"構件噴丸處理區(qū)域進行精確定位,并且能夠對處理區(qū)域進行噴丸效果的在線檢測,對問題區(qū)域進行選擇性再處理。 本發(fā)明所提供的一種微器件強化處理方法,激光參數(shù)都在微尺度范圍,能量為100 500 ii J量級,脈寬為10 70ns量級,光斑為5 30 y m量級。其采用激光熱力耦合原理,利用激光誘導沖擊波壓力對材料表面進行改性,在靶材表面產(chǎn)生有益的殘余壓應力分布。 當高功率(109W/Cm2級)、短脈沖(納秒量級)激光束輻射材料表面,產(chǎn)生高溫高壓的等離子體,等離子體急劇膨脹爆炸產(chǎn)生強沖擊波使材料表層及內(nèi)部組織結構、應力狀態(tài)發(fā)生改變。 本發(fā)明采用以下方法實現(xiàn)上述目的對特定形狀的微型零件進行路徑規(guī)劃和參數(shù)選擇,編制NC加工程序用于計算機控制系統(tǒng)以控制導光系統(tǒng)、工作臺所走軌跡;脈沖激光經(jīng)透鏡聚焦后,穿過透明約束層到達工件表面的能量轉換體上,能量轉換體把吸收的脈沖激光能量轉變成沖擊波壓力作用在工件表面,實現(xiàn)強化。利用CCD監(jiān)控系統(tǒng)對處理區(qū)域進行定位,X射線微衍射儀進行殘余應力在線檢測。
本發(fā)明實施過程如下 1.在工件表面覆蓋能量轉換體(厚度約10um),高能脈沖激光激發(fā)能量轉換體,能量轉換體轉換為高幅沖擊波壓力作用在工件表面。通過改變激光脈沖能量、脈沖寬度、脈沖形狀,可獲取不同大小的殘余應力分布; 2.金屬微構件在CCD光學相機放大監(jiān)測下進行定位操作,調(diào)整應力測定儀的X射線微衍射線在激光微噴丸頭聚焦光斑位置中心; 3.根據(jù)微構件的特征,選擇脈沖激光工藝參數(shù)激光能量100 500ii J,脈寬為10 70ns,光斑為5 30 li m( *艮據(jù)Y. Lawrence Yao、 Wenwu Zhang禾口 Hongqiang Chen等人的工藝研究); 4.進行激光噴丸軌跡的規(guī)劃對承受循環(huán)載荷區(qū)域進行多次沖擊(2 5次),編制NC加工程序用于控制系統(tǒng)以控制導光系統(tǒng)、工作臺軌跡; 5.根據(jù)選定的脈沖激光工藝參數(shù)、激光噴丸軌跡,通過五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)進行有序地施加應力脈沖,實現(xiàn)板料表面有益的應力場分布; 6.根據(jù)CCD監(jiān)控系統(tǒng)和X射線微衍射監(jiān)控系統(tǒng)反饋的信息,在線判斷微器件的噴丸強化效果,并根據(jù)實際情況進行再加工處理或者選擇性局部加工處理(重復步驟1 5)。
實施該方法的裝置包括激光發(fā)生器、導光系統(tǒng)、激光噴丸頭、工件夾具系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、CCD監(jiān)控系統(tǒng)、X射線微衍射在線檢測系統(tǒng)。 激光發(fā)生器Nd:YAG激光器,激光波長為355nm,激光器發(fā)出的激光束脈沖能量為100 500ii J,脈沖寬度為50ns。 導光分光系統(tǒng)是連接激光發(fā)生器至工件之間的光路傳輸系統(tǒng),由導光管、反射鏡、旋轉反射鏡組成; 激光噴丸頭內(nèi)設有聚焦鏡、可旋轉反射鏡。 工件夾具系統(tǒng)包括五軸聯(lián)動數(shù)控工作臺和工件夾具,表面貼有能量轉換體的微構件裝夾在工件夾具中,工件夾具安裝在數(shù)控工作臺上,工作臺根據(jù)機床控制器的指令實現(xiàn)三軸移動和兩軸轉動,滿足噴丸過程所需的運動要求; 控制系統(tǒng)由機床控制器、激光控制器、CCD相機監(jiān)控系統(tǒng)和X射線微衍射儀與計算
機控制系統(tǒng)組成,由計算機控制系統(tǒng)分別控制激光控制器、機床控制器。 激光發(fā)生器發(fā)出的激光經(jīng)導光系統(tǒng)連接激光噴丸頭,在激光控制器的控制下對工
件板料施噴丸動作,同時工件夾具系統(tǒng)在機床控制器控制下作多軸運動;激光控制器、機床
控制器與計算機控制系統(tǒng)相連,從而實現(xiàn)對系統(tǒng)工作過程的有效控制。CCD相機監(jiān)控系統(tǒng)和
X射線微衍射在線監(jiān)測系統(tǒng)與計算機相連,根據(jù)實際情況需要,對噴丸強化問題區(qū)域繼續(xù)進
行沖擊加載。 本發(fā)明的有益效果有 1.本發(fā)明由于采用高能脈沖激光束激發(fā)沖擊波對工件表面進行強化,是非接觸式成形,具有較大的柔性,因此,微構件的材料、形狀和尺寸不受限制,而且強化表面無明顯的機械損傷,表面粗糙度值低,光潔度好; 2.由于采用能量轉化體技術,實現(xiàn)把激光能量向沖擊波壓力的轉變,保護了工件表面免受激光的熱損傷; 3.通過控制激光參數(shù)和作用軌跡,控制工件表面的應力場分布和微結構形態(tài),實現(xiàn)微構件強化,因此工藝過程及控制較易實現(xiàn)。 4.因為激光參數(shù)精確可控,所以工藝過程的重復性好、易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。同時由于高幅殘余應力的存在,可使工件的表面質量,抗疲勞性能和抗應力腐蝕性能大幅提高。
5.采用CCD監(jiān)控系統(tǒng)和X射線微衍射儀進行在線檢測,能夠對問題零件或問題區(qū)域及時進行處理。因此,激光微噴丸強化技術將是一種低成本,高效率,少污染的新型激光表面處理技術,具有廣泛的工業(yè)應用前景。
圖1激光噴丸強化方法和裝置的示意圖。
圖2激光噴丸強化的工藝流程圖
圖3為微結構梁的幾何特征圖4為噴丸路徑圖5為不同噴丸次數(shù)的殘余應力分布圖;圖6為激光微噴丸強化后典型凹坑區(qū)域的光學顯微圖。
圖中,1納秒脈沖激光器;2反射鏡;3導光元件;4X射線微衍射系統(tǒng);5CCD監(jiān)控系
統(tǒng);6旋轉反射鏡;7噴丸頭;8壓模;9約束層;10涂層;11工件;12夾具;13多軸聯(lián)動工作
臺;14機床控制器;15激光控制器;16計算機控制系統(tǒng)。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步說明。
該裝置包括一個激光器發(fā)生器1和導光系統(tǒng)、噴丸頭7、夾具系統(tǒng)12、計算機控制系統(tǒng)16、CCD監(jiān)控系統(tǒng)5和X射線微衍射系統(tǒng)4。激光器采用的是Nd:YAG調(diào)Q納秒脈沖激光器,產(chǎn)生能量在100 500 ii J、持續(xù)時間為50納秒的激光脈沖。導光系統(tǒng)包括反射鏡2、導光元件3,旋轉反射鏡6。工件夾具系統(tǒng)包括工件夾具12和多軸聯(lián)動工作臺13,該裝置有三個坐標的移動和兩個轉動,可實現(xiàn)五軸聯(lián)動,從而可方便地對工件11實施激光噴丸強化??刂葡到y(tǒng)由機床控制器14、激光控制器15、計算機控制系統(tǒng)16組成。由納秒脈沖激光器1產(chǎn)生的激光束經(jīng)反射鏡2、旋轉反射鏡6經(jīng)噴丸頭7沖擊到待強化工件11上,機床控制器14、激光控制器15與計算機控制系統(tǒng)16相連,從而實現(xiàn)對對整個系統(tǒng)工作過程的有效控制。CCD監(jiān)控系統(tǒng)5和X射線微衍射系統(tǒng)4與計算機控制系統(tǒng)16相連,控制噴丸路徑的準確定位,并且對噴丸后進行圖像與殘余應力的在線檢測,判斷微器件噴丸強化效果,并對有問題的微器件繼續(xù)處理。 以微結構銅粱表面進行激光微噴丸強化為例,下面結合圖3 6詳細說明本發(fā)明提出的具體裝置的細節(jié)和工作情況。 [1]用丙酮或酒精清洗微結構梁ll表面,并表面噴涂上厚度為10um的能量吸收層(黑漆)IO ; [2]專用夾具裝置將微結構梁11固定在多軸聯(lián)動工作臺13上安裝到夾具系統(tǒng)
12,由CCD監(jiān)控系統(tǒng)5對噴丸區(qū)域進行準確定位,并將試樣調(diào)整到易于加工位置;調(diào)整應力
測定儀的X射線微衍射線系統(tǒng)4在激光微噴丸頭7的聚焦光斑位置中心; [3]根據(jù)微結構粱11形狀和載荷特征,計算機控制系統(tǒng)16輸入激光控制器15參
數(shù)光斑直徑12um,脈沖寬度50ns,波長355nm,沖擊頻率lKHz,激光能量240uJ,噴丸間距
25um,噴丸次數(shù)2次,應力集中區(qū)域4次。 [4]路徑規(guī)劃如圖4所示。 [5]由機床控制器14發(fā)出指令,Nd: YAG調(diào)Q納秒脈沖激光器1發(fā)出脈沖激光,經(jīng)光束轉換與調(diào)節(jié)裝置3,照射在待加工表面,實施激光噴丸強化。 [6] CCD監(jiān)控系統(tǒng)5和X射線微衍射儀4反饋微結構梁11在線噴丸的圖像與殘余應力信息。得到噴丸區(qū)域的殘余應力、表面結構,如圖5、6所示,可見微梁表面的力學性能
明顯改善。
權利要求
一種MEMS微器件的激光微噴丸強化的方法,其特征在于,步驟如下A.在工件表面覆蓋能量轉換體,高能脈沖激光激發(fā)能量轉換體,能量轉換體轉換為高幅沖擊波壓力作用在工件表面;通過改變激光脈沖能量、脈沖寬度、脈沖形狀,獲取不同大小的殘余應力分布;B.金屬微構件在CCD光學相機放大監(jiān)測下進行定位操作,調(diào)整應力測定儀的X射線微衍射線在激光微噴丸頭聚焦光斑位置中心;C.根據(jù)微構件的特征,選擇脈沖激光工藝參數(shù)激光能量100~500μJ,脈寬為10~70ns,光斑為5~30μm量級;D.進行激光噴丸軌跡的規(guī)劃對承受循環(huán)載荷區(qū)域進行2~5次沖擊,編制NC加工程序用于控制系統(tǒng)以控制導光系統(tǒng)、工作臺軌跡;E.根據(jù)選定的脈沖激光工藝參數(shù)、激光噴丸軌跡,通過五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)進行有序地施加應力脈沖,實現(xiàn)板料表面有益的應力場分布;F.根據(jù)CCD監(jiān)控系統(tǒng)和X射線微衍射監(jiān)控系統(tǒng)反饋的信息,在線判斷微器件的噴丸強化效果,并根據(jù)實際情況進行再加工處理或者選擇性局部加工處理,重復步驟1~5。
2. —種為實現(xiàn)權利要求1所述的MEMS微器件的激光微噴丸強化的裝置,其特征在于,包括一個激光器發(fā)生器(1)和導光系統(tǒng)、噴丸頭(7)、夾具系統(tǒng)(12)、計算機控制系統(tǒng)(16)、CCD監(jiān)控系統(tǒng)(5)和X射線微衍射系統(tǒng)(4);所述激光器發(fā)生器(1)采用的是Nd:YAG調(diào)Q納秒脈沖激光器,產(chǎn)生能量在100 500ii J、持續(xù)時間為50納秒的激光脈沖;所述導光系統(tǒng)包括反射鏡(2)、導光元件(3),旋轉反射鏡(6);所述工件夾具系統(tǒng)包括工件夾具(12)和多軸聯(lián)動工作臺(13),多軸聯(lián)動工作臺(13)有三個坐標的移動和兩個轉動;所述控制系統(tǒng)由機床控制器(14)、激光控制器(15)、計算機控制系統(tǒng)(16)組成,由納秒脈沖激光器(1)產(chǎn)生的激光束經(jīng)反射鏡(2)、旋轉反射鏡(6)經(jīng)噴丸頭(7)沖擊到待強化工件(11)上,機床控制器(14)、激光控制器(15)與計算機控制系統(tǒng)(16)相連,控制整個系統(tǒng)工作的過程;所述CCD監(jiān)控系統(tǒng)(5)和X射線微衍射系統(tǒng)(4)與計算機控制系統(tǒng)(16)相連。
全文摘要
本發(fā)明為MEMS微器件的表面改性處理方法及裝置,對特定形狀的微型零件進行路徑規(guī)劃和參數(shù)選擇,編制NC加工程序用于計算機控制系統(tǒng)以控制導光系統(tǒng)、工作臺所走軌跡;脈沖激光經(jīng)透鏡聚焦后,穿過透明約束層到達工件表面的能量轉換體上,能量轉換體把吸收的脈沖激光能量轉變成沖擊波壓力作用在工件表面,實現(xiàn)強化。利用CCD監(jiān)控系統(tǒng)對處理區(qū)域進行定位,X射線微衍射儀進行殘余應力在線檢測。從而提高MEMS微結構的使用壽命。本發(fā)明裝置包括激光發(fā)生器、導光系統(tǒng)、激光噴丸頭、工件夾具系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、CCD監(jiān)控系統(tǒng)、X射線微衍射在線檢測系統(tǒng)。
文檔編號B81C99/00GK101759139SQ200910232279
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月10日 優(yōu)先權日2009年12月10日
發(fā)明者衛(wèi)登輝, 周建忠, 樊玉杰, 王敏, 黃舒 申請人:江蘇大學