MEMS微器件的表面改性处理方法及装置.pdf

本发明为MEMS微器件的表面改性处理方法及装置，对特定形状的微型零件进行路径规划和参数选择，编制NC加工程序用于计算机控制系统以控制导光系统、工作台所走轨迹；脉冲激光经透镜聚焦后，穿过透明约束层到达工件表面的能量转换体上，能量转换体把吸收的脉冲激光能量转变成冲击波压力作用在工件表面，实现强化。利用CCD监控系统对处理区域进行定位，X射线微衍射仪进行残余应力在线检测。从而提高MEMS微结构的使用寿命。本发明装置包括激光发生器、导光系统、激光喷丸头、工件夹具系统、计算机控制系统、CCD监控系统、X射线微衍射在线检测系统。

1.  一种MEMS微器件的激光微喷丸强化的方法，其特征在于，步骤如下：
A.在工件表面覆盖能量转换体，高能脉冲激光激发能量转换体，能量转换体转换为高幅冲击波压力作用在工件表面；通过改变激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲形状，获取不同大小的残余应力分布；
B.金属微构件在CCD光学相机放大监测下进行定位操作，调整应力测定仪的X射线微衍射线在激光微喷丸头聚焦光斑位置中心；
C.根据微构件的特征，选择脉冲激光工艺参数：激光能量100～500μJ，脉宽为10～70ns，光斑为5～30μm量级；
D.进行激光喷丸轨迹的规划：对承受循环载荷区域进行2～5次冲击，编制NC加工程序用于控制系统以控制导光系统、工作台轨迹；
E.根据选定的脉冲激光工艺参数、激光喷丸轨迹，通过五轴联动数控系统进行有序地施加应力脉冲，实现板料表面有益的应力场分布；
F.根据CCD监控系统和X射线微衍射监控系统反馈的信息，在线判断微器件的喷丸强化效果，并根据实际情况进行再加工处理或者选择性局部加工处理，重复步骤1～5。

2.  一种为实现权利要求1所述的MEMS微器件的激光微喷丸强化的装置，其特征在于，包括一个激光器发生器(1)和导光系统、喷丸头(7)、夹具系统(12)、计算机控制系统(16)、CCD监控系统(5)和X射线微衍射系统(4)；所述激光器发生器(1)采用的是Nd:YAG调Q纳秒脉冲激光器，产生能量在100～500μJ、持续时间为50纳秒的激光脉冲；所述导光系统包括反射镜(2)、导光元件(3)，旋转反射镜(6)；所述工件夹具系统包括工件夹具(12)和多轴联动工作台(13)，多轴联动工作台(13)有三个坐标的移动和两个转动；所述控制系统由机床控制器(14)、激光控制器(15)、计算机控制系统(16)组成，由纳秒脉冲激光器(1)产生的激光束经反射镜(2)、旋转反射镜(6)经喷丸头(7)冲击到待强化工件(11)上，机床控制器(14)、激光控制器(15)与计算机控制系统(16)相连，控制整个系统工作的过程；所述CCD监控系统(5)和X射线微衍射系统(4)与计算机控制系统(16)相连。

MEMS微器件的表面改性处理方法及装置
技术领域
本发明涉及微机械制造领域，特指一种基于高能脉冲激光喷丸技术的微器件表面处理方法和装置，其适用于MEMS微器件的表面改性。特别适用于用常规方法难以实现的表面改性处理或针对特定区域局部选择性强化处理，适合微器件的低成本批量化生产。
背景技术
微构件在工作过程中通常受到热、力等交变载荷的作用，易发生变形、断裂、磨损和疲劳破坏，从而引起微结构的失效，进而导致整个MEMS的失效。因此，微器件除了要有精确的外形外，还要求具备较高的机械力学性能和表面质量，必须对微构件关键表面进行强化处理，以提高其机械性能。目前，针对多晶体硅材料的微构件易磨损性能，采用一系列方法进行表面处理来保护接触面，如分子薄膜和气相润滑等，最近，Steven A.Smallwood等人研究了金刚石薄膜对微构件表面的保护作用。但是对于金属微构件的表面处理的研究涉及较少。传统的金属表面改性方法有渗碳、激光熔覆、机械喷丸、激光喷丸等，由于微器件尺寸小，精度要求高，因此传统的方法很难实现对金属微器件的表面处理，不能满足零件的使用要求和性能。
激光喷丸强化是提高机械零部件疲劳断裂抗力、应力腐蚀、氢脆断裂抗力的一种行之有效的表面处理技术，其利用高能脉冲激光束替代有质弹丸实施零件冲击，冲击表面无明显的机械损伤，表面粗糙度值低，光洁度好。而且激光参数、作用时间、喷丸轨迹及聚焦光斑尺寸精确可控，且处理过程是非接触的，因此具有很大的柔性。这赋予激光喷丸加工技术确定性、可重复性以及快速自动化批量生产的优势。美国通用电气公司RTIZ JR ANGEL L申请专利：Laser Peening System and Method，专利号4937421，其利用激光喷丸在工件表面产生残余应力，能够大大提高工件的抗疲劳特性。但是目前已取得的成果大多集中在激光能量数焦耳至数十焦耳之间，光斑尺寸为mm量级，主要面向宏观尺寸的金属结构件处理。要实现对微构件的喷丸强化处理，必须将光斑控制在um量级。
激光微喷丸强化并非激光喷丸的简单微型化，微型化带来的尺寸效应为喷丸工艺和参数选择和路径设计等方面都有影响。2000年以来，国外Y.Lawrence Yao和Wenwu Zhang等人率先开始对激光微喷丸进行研究。2002年，他们在铜靶试样上获得了几十微米深度分布的残余压应力，实现其机械性能的改善。随后，他们对90μm厚的铜箔进行了激光喷丸诱导残余应力的实验研究和数值模拟分析，进一步验证了μLSP可行性，2003年，Hongqiang Chen和Y.Lawrence Yao等人在同步加速光源的技术上，采用基于强度对照方法的微衍射技术，实现了对微喷丸处理后的铜板和铝板的表面残余应力试验测量。目前对激光微喷丸技术的研究只停留在工艺参数优化和喷丸效果的表征上，而对微构件喷丸强化过程中，由于微构件的“微小特征”所涉及的安装方法、喷丸效果的在线检测没有研究。本发明考虑微结构表面处理的“微小特征”和“尺度效应”，利用CCD监控系统对处理区域进行定位，X射线微衍射仪进行残余应力在线检测，能够对问题零件或问题区域及时进行处理，提高MEMS微结构的使用寿命。
目前尚未检索到面向MEMS微器件表面采用激光微喷丸技术提高其力学性能的处理方法和装置方面的相关专利。
发明内容
本发明的目的是提供一种强激光微喷丸强化的方法及装置，实现具有“微小特征”构件喷丸处理区域进行精确定位，并且能够对处理区域进行喷丸效果的在线检测，对问题区域进行选择性再处理。
本发明所提供的一种微器件强化处理方法，激光参数都在微尺度范围，能量为100～500μJ量级，脉宽为10～70ns量级，光斑为5～30μm量级。其采用激光热力耦合原理，利用激光诱导冲击波压力对材料表面进行改性，在靶材表面产生有益的残余压应力分布。
当高功率(10⁹w/cm²级)、短脉冲(纳秒量级)激光束辐射材料表面，产生高温高压的等离子体，等离子体急剧膨胀爆炸产生强冲击波使材料表层及内部组织结构、应力状态发生改变。
本发明采用以下方法实现上述目的：对特定形状的微型零件进行路径规划和参数选择，编制NC加工程序用于计算机控制系统以控制导光系统、工作台所走轨迹；脉冲激光经透镜聚焦后，穿过透明约束层到达工件表面的能量转换体上，能量转换体把吸收的脉冲激光能量转变成冲击波压力作用在工件表面，实现强化。利用CCD监控系统对处理区域进行定位，X射线微衍射仪进行残余应力在线检测。
本发明实施过程如下：
1.在工件表面覆盖能量转换体(厚度约10um)，高能脉冲激光激发能量转换体，能量转换体转换为高幅冲击波压力作用在工件表面。通过改变激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲形状，可获取不同大小的残余应力分布；
2.金属微构件在CCD光学相机放大监测下进行定位操作，调整应力测定仪的X射线微衍射线在激光微喷丸头聚焦光斑位置中心；
3.根据微构件的特征，选择脉冲激光工艺参数：激光能量100～500μJ，脉宽为10～70ns，光斑为5～30μm(根据Y.Lawrence Yao、Wenwu Zhang和Hongqiang Chen等人的工艺研究)；
4.进行激光喷丸轨迹的规划：对承受循环载荷区域进行多次冲击(2～5次)，编制NC加工程序用于控制系统以控制导光系统、工作台轨迹；
5.根据选定的脉冲激光工艺参数、激光喷丸轨迹，通过五轴联动数控系统进行有序地施加应力脉冲，实现板料表面有益的应力场分布；
6.根据CCD监控系统和X射线微衍射监控系统反馈的信息，在线判断微器件的喷丸强化效果，并根据实际情况进行再加工处理或者选择性局部加工处理(重复步骤1～5)。
实施该方法的装置包括激光发生器、导光系统、激光喷丸头、工件夹具系统、计算机控制系统、CCD监控系统、X射线微衍射在线检测系统。
激光发生器：Nd:YAG激光器，激光波长为355nm，激光器发出的激光束脉冲能量为100～500μJ，脉冲宽度为50ns。
导光分光系统是连接激光发生器至工件之间的光路传输系统，由导光管、反射镜、旋转反射镜组成；
激光喷丸头内设有聚焦镜、可旋转反射镜。
工件夹具系统包括五轴联动数控工作台和工件夹具，表面贴有能量转换体的微构件装夹在工件夹具中，工件夹具安装在数控工作台上，工作台根据机床控制器的指令实现三轴移动和两轴转动，满足喷丸过程所需的运动要求；
控制系统由机床控制器、激光控制器、CCD相机监控系统和X射线微衍射仪与计算机控制系统组成，由计算机控制系统分别控制激光控制器、机床控制器。
激光发生器发出的激光经导光系统连接激光喷丸头，在激光控制器的控制下对工件板料施喷丸动作，同时工件夹具系统在机床控制器控制下作多轴运动；激光控制器、机床控制器与计算机控制系统相连，从而实现对系统工作过程的有效控制。CCD相机监控系统和X射线微衍射在线监测系统与计算机相连，根据实际情况需要，对喷丸强化问题区域继续进行冲击加载。
本发明的有益效果有：
1.本发明由于采用高能脉冲激光束激发冲击波对工件表面进行强化，是非接触式成形，具有较大的柔性，因此，微构件的材料、形状和尺寸不受限制，而且强化表面无明显的机械损伤，表面粗糙度值低，光洁度好；
2.由于采用能量转化体技术，实现把激光能量向冲击波压力的转变，保护了工件表面免受激光的热损伤；
3.通过控制激光参数和作用轨迹，控制工件表面的应力场分布和微结构形态，实现微构件强化，因此工艺过程及控制较易实现。
4.因为激光参数精确可控，所以工艺过程的重复性好、易实现自动化生产。同时由于高幅残余应力的存在，可使工件的表面质量，抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能大幅提高。
5.采用CCD监控系统和X射线微衍射仪进行在线检测，能够对问题零件或问题区域及时进行处理。因此，激光微喷丸强化技术将是一种低成本，高效率，少污染的新型激光表面处理技术，具有广泛的工业应用前景。
附图说明
图1激光喷丸强化方法和装置的示意图。
图2激光喷丸强化的工艺流程图
图3为微结构梁的几何特征图；
图4为喷丸路径图；
图5为不同喷丸次数的残余应力分布图；
图6为激光微喷丸强化后典型凹坑区域的光学显微图。
图中，1纳秒脉冲激光器；2反射镜；3导光元件；4X射线微衍射系统；5CCD监控系统；6旋转反射镜；7喷丸头；8压模；9约束层；10涂层；11工件；12夹具；13多轴联动工作台；14机床控制器；15激光控制器；16计算机控制系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
该装置包括一个激光器发生器1和导光系统、喷丸头7、夹具系统12、计算机控制系统16、CCD监控系统5和X射线微衍射系统4。激光器采用的是Nd:YAG调Q纳秒脉冲激光器，产生能量在100～500μJ、持续时间为50纳秒的激光脉冲。导光系统包括反射镜2、导光元件3，旋转反射镜6。工件夹具系统包括工件夹具12和多轴联动工作台13，该装置有三个坐标的移动和两个转动，可实现五轴联动，从而可方便地对工件11实施激光喷丸强化。控制系统由机床控制器14、激光控制器15、计算机控制系统16组成。由纳秒脉冲激光器1产生的激光束经反射镜2、旋转反射镜6经喷丸头7冲击到待强化工件11上，机床控制器14、激光控制器15与计算机控制系统16相连，从而实现对对整个系统工作过程的有效控制。CCD监控系统5和X射线微衍射系统4与计算机控制系统16相连，控制喷丸路径的准确定位，并且对喷丸后进行图像与残余应力的在线检测，判断微器件喷丸强化效果，并对有问题的微器件继续处理。
以微结构铜粱表面进行激光微喷丸强化为例，下面结合图3～6详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
[1]用丙酮或酒精清洗微结构梁11表面，并表面喷涂上厚度为10um的能量吸收层(黑漆)10；
[2]专用夹具装置将微结构梁11固定在多轴联动工作台13上安装到夹具系统12，由CCD监控系统5对喷丸区域进行准确定位，并将试样调整到易于加工位置；调整应力测定仪的X射线微衍射线系统4在激光微喷丸头7的聚焦光斑位置中心；
[3]根据微结构粱11形状和载荷特征，计算机控制系统16输入激光控制器15参数：光斑直径12um，脉冲宽度50ns，波长355nm，冲击频率1KHz，激光能量240uJ，喷丸间距25um，喷丸次数2次，应力集中区域4次。
[4]路径规划如图4所示。
[5]由机床控制器14发出指令，Nd:YAG调Q纳秒脉冲激光器1发出脉冲激光，经光束转换与调节装置3，照射在待加工表面，实施激光喷丸强化。
[6]CCD监控系统5和X射线微衍射仪4反馈微结构梁11在线喷丸的图像与残余应力信息。得到喷丸区域的残余应力、表面结构，如图5、6所示，可见微梁表面的力学性能明显改善。