阅读说明：本技术 一种感应加热化学刻蚀方法及装置 (Induction heating chemical etching method and device ) 是由 唐伟东 陈旭东 张继泽 姚继开 朱钰浩 刘通 毛聪 张明军 唐昆 罗源嫱 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种感应加热化学刻蚀装置及方法,属于微刻蚀玻璃技术领域,包括感应加热系统、运动平台、控制系统、温度调节供液系统、工件夹具、废液槽；其中,感应加热系统,提供不同的输出电流、电压和频率,对空心金属棒加热；运动平台,精确控制空心金属棒与工件的移动；控制系统,根据铣削图形生成加工路径,自动控制XYZ轴的联动进给,实现复杂三维结构的铣削；温度调节供液系统,通过温度传感器反馈的温度值调节水泵的转速,实现不同温度下不同流量刻蚀液的供给；工件夹具,固定工件；废液槽,收集废弃刻蚀液。本发明感应加热化学刻蚀作为一种新型的特种加工方法,通过电磁感应原理来传递能量,配合碱液,使材料快速反应,实现非接触加工。(The invention provides an induction heating chemical etching device and method, belonging to the technical field of micro-etched glass, and comprising an induction heating system, a motion platform, a control system, a temperature regulation liquid supply system, a workpiece clamp and a waste liquid tank; the induction heating system provides different output currents, voltages and frequencies to heat the hollow metal rod; the motion platform is used for accurately controlling the movement of the hollow metal rod and the workpiece; the control system generates a processing path according to the milling graph, automatically controls the linkage feeding of XYZ axes and realizes the milling of a complex three-dimensional structure; the temperature adjusting liquid supply system adjusts the rotating speed of the water pump through the temperature value fed back by the temperature sensor, and supplies etching liquid with different flow rates at different temperatures; a workpiece holder for fixing a workpiece; and the waste liquid tank is used for collecting waste etching liquid. The invention relates to an induction heating chemical etching method as a novel special processing method, which transfers energy by an electromagnetic induction principle and enables materials to react quickly by matching with alkali liquor so as to realize non-contact processing.)

一种感应加热化学刻蚀方法及装置

技术领域

本发明涉及微刻蚀玻璃技术领域，具体涉及一种感应加热化学刻蚀方法及装置。

背景技术

近年来，随着微机电系统(MEMS)的不断发展，人们对玻璃等非导电硬脆材料的微结构产品的需求不断增加。由于玻璃具有透明性、耐化学性、低导电性、低导热性及生物相容性等优良特性，被广泛用于MEMS中的微传感器、微反应器、微加速度计和微型泵。但是由于其本身的特性，其微结构的加工一直是制造业中的难点。传统的机械加工方法会有很大的切削力导致硬脆材料难以加工，或者加工完成后由于微裂纹的存在导致工件失效；非传统的加工方式也存在自身的局限性，比如，电火花加工或者电解加工需要工件是导体；超声加工效率低，激光加工方法由于设备昂贵，不适合普遍推广。化学刻蚀技术是一种比较常用的方法，化学刻蚀可实现对金属、非金属等材料的加工，在MEMS系统加工中有广泛应用。

传统化学刻蚀具有以下缺点：(1)加工速度慢；(2)材料去除区域不受控；(3)无法加工复杂结构。因此提出一种感应加热化学刻蚀的方法对玻璃进行定域高效加工，使用碱溶液对玻璃进行刻蚀，其材料去除机理为：碱溶液中的OH^-离子对玻璃的硅氧骨架(≡Si-O-Si≡)进行破坏，使Si-O键断裂后形成≡Si-O-群，从而玻璃中的较多的SiO₂会溶解在刻蚀液中，相比用酸刻蚀可以减少刻蚀液对环境的影响，同时可实现材料去除区域可控，具有加工效率高等优点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种感应加热化学刻蚀方法及装置，该装置利用感应加热技术加热空心金属棒，提高化学刻蚀的局部温度，从而实现玻璃材料高效定域去除，通过控制被加热空心金属棒的移动实现加工路径的控制。该加工方法可以有效约束化学刻蚀区域，加工出特定的形状。与激光加工等热去除玻璃的方法相比，该加工方法能有效减少由于温度应力造成的微裂纹，缩孔等问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供一种感应加热化学刻蚀装置，包括感应加热系统、运动平台、控制系统、温度调节供液系统、工件夹具、废液槽；

其中，

感应加热系统，提供不同的输出电流、电压和频率，对空心金属棒加热；

运动平台，精确控制空心金属棒与工件的移动；

控制系统，根据铣削图形生成加工路线，自动控制XYZ轴的联动进给，实现复杂三维结构的铣削；

温度调节供液系统，通过温度传感器反馈的温度值调节水泵的转速，实现不同温度下不同流量刻蚀液的供给；

工件夹具，固定工件；

废液槽，收集废弃刻蚀液。

作为本发明的进一步改进，所述感应加热系统由电源和线圈组成。

作为本发明的进一步改进，所述电源为中频电源或高频电源。

作为本发明的进一步改进，所述中频电源或高频电源的输出电流可调节范围为3-300A，输出电压为70-800V，输出震荡频率为1KHz-250KHz。

作为本发明的进一步改进，所述运动平台由空心金属棒和XYZ运动装置组成。

作为本发明的进一步改进，所述XYZ运动装置是由WN261TA50H运动控制卡驱动X、Y、Z轴的马达，精确控制X、Y、Z电动滑台沿三方向的进给以实现复杂加工路线的进给。

作为本发明的进一步改进，所述精确控制等级为微米级。

作为本发明的进一步改进，所述温度调节供液系统由温度传感器、供液管、阀门、水泵、供液槽组成。

本发明进一步保护一种上述使用感应加热化学刻蚀装置的加工方法，包括以下步骤：

步骤一：安装好工件，空心金属棒，接好管路，完成空心金属棒与工件的对刀；

步骤二：接通电源，使输出电流为3-300A，输出电压为70-800V，输出震荡频率为1KHz-250KHz，将空心金属棒加热到380-420℃；

步骤三：启动水泵，打开阀门，调节流量为10-1000mL/min；

步骤四：启动控制系统和XYZ运动装置，实现对工件的精确加工；

步骤五：温度传感器时刻监控空心金属棒加工区的温度，当温度低于200℃时，水泵转速降低，刻蚀液流量减少，待空心金属棒温度重新升高到400℃后，提高水泵转速，刻蚀液流量增加，使刻蚀液与玻璃工件充分反应；

步骤六：完成加工后，关闭电源、水泵等装置，处理废液槽的废液。

作为本发明的进一步改进，所述输出电流为15A，输出电压为100V，将空心金属棒加热到400℃，刻蚀液流量为100mL/min。

本发明具有如下有益效果：本发明加工方法是感应加热为化学刻蚀提供高温条件，同时通过控制系统和XYZ运动装置联动进而控制加工路径。具有加工效率高、加工可控等优点。此外，本发明加工方法与传统铣削相比可以避免切削力造成的玻璃碎裂、崩边、微裂纹等影响；与传统化学刻蚀相比，该加工方法可以实现材料的定域去除，同时可灵活控制加工路径，利用高温辅助可大幅度提高加工效率；与激光加工相比，该加工方法成本低，更易普及，同时可避免激光加工中高温造成的裂纹，缩孔等问题。感应加热为化学刻蚀提供局部高温提高了加工速度，实现了定域去除材料。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明感应加热化学刻蚀装置的结构示意图；

其中，1为电源；2空心金属棒；3为XYZ运动装置；4为供液管；5为阀门；6为水泵；7为供液槽；8为温度传感器；9为工件；10为工件夹具；11为废液槽；12为线圈。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

参照图1，一种感应加热化学刻蚀装置，包括感应加热系统、运动平台、控制系统、温度调节供液系统、工件夹具、废液槽；

其中，

感应加热系统，提供不同的输出电流、电压和频率，对空心金属棒2进行加热；感应加热系统由电源1和线圈12组成；电源1为中频电源HYZ-15；所述中频电源HYZ-15的输出电流可调节范围为3-22A，输出电压为70-520V，输出震荡频率为1KHz-20KHz；

运动平台，精确控制空心金属棒2与工件的移动；运动平台由空心金属棒2和XYZ运动装置3组成；XYZ运动装置3是由WN261TA50H运动控制卡驱动X、Y、Z轴的马达，微米级精确控制X、Y、Z电动滑台沿三方向的进给以实现复杂加工路径；

控制系统，内置于XYZ运动装置内，根据铣削图形生成加工路线，自动控制XYZ轴的联动进给，实现复杂三维结构的铣削；

温度调节供液系统，通过温度传感器8反馈的温度值调节水泵6的转速，实现不同温度下不同流量刻蚀液的供给；温度调节供液系统由温度传感器8、供液管4、阀门5、水泵6、供液槽7组成；

工件夹具10，固定工件9；

废液槽11，收集废弃刻蚀液。

为达到发明目的需要感应加热技术与化学刻蚀技术结合，通过控制系统与运动平台的XYZ运动装置3的联动控制空心金属棒2及工件的移动实现加工路径及加工进给控制。如图1所示，使用中频电源1作为感应加热电源，感应加热线圈12绕在空心金属棒上，空心金属棒2安装在主轴上并固定于Z轴，同时在空心金属棒2上端通过供液管4连接一个刻蚀液供液槽7，供液管4上安装有阀门5和水泵6，水泵6的转速可基于温度传感器8反馈的温度值进行调整，以实现不同加工温度下不同流量刻蚀液的供给。接通感应加热电源1，对空心金属棒2加热到一定温度后，打开阀门5，刻蚀液从空心金属棒2内孔流出，同时空心金属棒2在运动系统的控制下，以一定加工路径在玻璃工件上作类似机械铣削的运动，通过金属管底部的局部高温促进管内流出的刻蚀液与玻璃材料反应，达到去除材料的目的。

实施例1

一种使用上述感应加热化学刻蚀装置的加工方法，包括以下步骤：

步骤一：安装好工件9，空心金属棒2，接好管路，完成空心金属棒2与工件9的对刀；

步骤二：接通电源1，使输出电流为15A，输出电压为100V，输出震荡频率为10KHz，将空心金属棒加热到400℃；

步骤三：启动水泵6，打开阀门5，调节流量为100mL/min；

步骤四：启动控制系统和XYZ运动装置3，实现对工件9的精确加工；

步骤五：温度传感器8时刻监控空心金属棒2加工区的温度，当温度低于200℃时，水泵6转速降低，刻蚀液流量减少，待空心金属棒2温度重新升高到400℃后，提高水泵6转速，刻蚀液流量增加，使刻蚀液与玻璃工件9充分反应；

步骤六：完成加工后，关闭电源1、水泵6等装置，处理废液槽11的废液。

本发明加工方法是感应加热为化学刻蚀提供高温条件，同时通过控制系统和XYZ进给装置联动进而控制加工路径。具有加工效率高、加工可控等优点。此外，本发明加工方法与传统铣削相比可以避免切削力造成的玻璃碎裂、崩边、微裂纹等影响；与传统化学刻蚀相比，该加工方法可以实现材料的定域去除，同时可灵活控制加工路径，利用高温辅助可大幅度提高加工效率；与激光加工相比，该加工方法成本低，更易普及，同时可避免激光加工中高温造成的裂纹，缩孔等问题。感应加热为化学刻蚀提供局部高温提高了加工速度，实现了定域去除材料。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。