太赫兹金属镀层空芯矩形波导整体制造方法

摘要

本发明涉及一种太赫兹金属镀层空芯矩形波导整体制造方法，属于精密微细电化学制造领域。其特征在于：对厚金属平板工件进行微细电解线切割加工，获得矩形牺牲芯模的各个切割表面；在矩形牺牲芯模表面电镀厚度为几十微米量级的金层；利用选择性刻蚀济快速溶解芯模获得矩形纯金腔体；在矩形纯金腔体外部电铸保护层，通过整平修整制备出具有装配要求外轮廓形状的太赫兹金属镀层空芯矩形波导。本发明可以实现太赫兹频段金属镀层空芯矩形波导的高效、精密、整体制造，具有重要意义。

权利要求

1.一种太赫兹金属镀层空芯矩形波导整体制造方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、利用半径为R的微尺度线电极（1）对厚金属平板工件（3）进行微细电解线切割加工，加工出矩形牺牲芯模（7）；

步骤1-1、首先加工矩形牺牲芯模（7）的左侧面、右侧面，设定加工轨迹（2）的长度为L、宽度为W1，加工时微尺度线电极与左侧面的距离和微尺度线电极与右侧面之间的距离相等称为加工时的侧面间隙为S1；获得左右两侧的高精密切割表面，其左右侧面之间的宽度W=W1-2S1-2R；

步骤1-2、将厚金属平板工件旋转90°后，加工矩形牺牲芯模（7）上侧面、下侧面，设定加工轨迹（5）的长度为L、宽度为H1，加工时微尺度线电极与上侧面的距离和微尺度线电极与下侧面之间的距离相等称为加工时的侧面间隙为S2；获得上下两侧的高精密切割表面，其上下侧面之间的高度H=H1-2S2-2R；

步骤2、在切割后的矩形牺牲芯模（7）前端部涂覆绝缘胶（6），对其左、右、上、下共四个高精密切割表面电镀金层（8），厚度T为几十微米量级；

步骤3、将矩形镀金芯模（9）后端部从金属毛坯工件上切断并去掉前端部绝缘胶，然后在选择性刻蚀剂 中快速溶解矩形牺牲芯模（7），获得具有高精密内表面的矩形纯金腔体（11）；

步骤4、将矩形纯金腔体（11）两端涂覆绝缘胶，利用高精密电铸技术在其外部电沉积金属层（12），厚度D为毫米量级，对金属层进行整平修整，获得具有装配要求外轮廓的太赫兹金属镀层空芯矩形波导（13）。

2.根据权利要求1所述的太赫兹金属镀层空芯矩形波导整体制造方法，其特征在于：上述步骤1矩形牺牲芯模（7）的表面粗糙度、圆角半径，平均宽度和高度及其标准偏差通过优化微细电解线切割加工参数保证。

3.根据权利要求1所述的太赫兹金属镀层空芯矩形波导整体制造方法，其特征在于：上述步骤4中的电沉积金属层是铜层、镍层、合金层或者其它复合镀层。

说明书

太赫兹金属镀层空芯矩形波导整体制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种太赫兹金属镀层空芯矩形波导整体制造方法，属于精密微细电化学制造领域。

背景技术

[0002] 太赫兹波作为电磁波中唯一尚未完全开发利用的频谱资源，在高速无线通信、雷达、医学成像、安全检查、电子对抗等领域有着巨大的应用潜力，对于推动国民经济发展、加强国家安全建设具有重大战略意义。太赫兹金属矩形波导是太赫兹低频段一种重要的传输器件，以其损耗低、柔韧性好和安全性高等优点，其精密加工制造成为太赫兹科学技术研究的前沿和热点之一。

[0003] 太赫兹矩形波导由于传输特性，是典型的大长径比微型器件，腔体端面尺寸微小、加工公差、圆角及内层粗糙度要求极高，精密加工制造极具挑战性。近年来，科研人员尝试多种工艺来寻求该技术难题的突破。通过将封闭的矩形腔体剖分为覆盖面板和U型腔分别加工后再组装的方法，采用微细铣削技术实现了0.75THz太赫兹信号传输用端面尺寸为191um×381um的矩形波导制造。此外，科研人员利用光刻电铸技术加工出端部尺寸为200μm×400μm、长度为8mm的金属矩形波导，波导腔表面光滑平直、基本无加工圆角。利用牺牲层光刻工艺制备出长7.5mm、高300μm、侧壁垂直度为87.7°的0.4THz矩形波导腔结构。

[0004] 随着工作频率的不断提高，金属矩形波导长径比、端面尺寸、加工精度要求进一步提高，例如1THz的金属矩形波导腔体端面尺寸为127um×254um、公差要求在±5um、表面粗糙度Ra≤0.4um、圆角半径R≤20um，金属镀层空芯矩形波导作为金属矩形波导的一种特殊形式，其腔体尺寸、内部镀层质量、加工精度要求更为严格，现有的加工技术已经难以满足其精密加工要求。

[0005] 南京航空航天大学的科研人员提出了一种微小型金属矩形波导电化学制造方法（专利申请号：201610959510.0），该方法理论上实现了更高工作频率金属矩形波导的整体加工制造。然而，带有电铸铜层的镀金芯模的溶解选用常规的酸性和碱性溶液，由于波导长径比大和腔体的尺寸微小，溶解效率极低，芯模表面的电镀金层虽然满足太赫兹波导的趋肤效应深度，由于厚度较薄，实际芯模溶解过程中极易被破坏，同时外层的电铸铜层也极易受到芯模溶解溶液的损坏，另外利用金属工件厚度和微细电解线切割加工控制芯模端面尺寸的方法造成的波导腔体表面精度的不一致，将会影响太赫兹信号的传输性能。因此，有必要寻求更加合理的方法，解决金属镀层空芯矩形波导的精密制造难题。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种高效、精密、可实施性强的太赫兹金属镀层空芯矩形波导整体制造方法。

[0007] 一种太赫兹金属镀层空芯矩形波导整体制造方法，其特征在于包括以下步骤：

[0008] 步骤1、利用半径为R的微尺度线电极对厚金属平板工件进行微细电解线切割加工，加工出矩形牺牲芯模；

[0009] 步骤1-1、首先加工矩形牺牲芯模的左侧面、右侧面，设定加工轨迹的长度为L、宽度为W1，加工时的侧面间隙为S1；获得左右两侧的高精密切割表面，其左右侧面之间的宽度W=W1-2S1-2R；

[0010] 步骤1-2、将厚金属平板工件旋转90°后，加工矩形牺牲芯模上侧面、下侧面，设定加工轨迹的长度为L、宽度为H1，加工时的侧面间隙为S2；获得上下两侧的高精密切割表面，其上下侧面之间的高度H=H1-2S2-2R；

[0011] 步骤2、在切割后的矩形牺牲芯模前端部涂覆绝缘胶，对其左、右、上、下共四个高精密切割表面电镀金层，厚度T为几十微米量级；

[0012] 步骤3、将矩形镀金芯模后端部从金属毛坯工件上切断并去掉前端部绝缘胶，然后在选择性刻蚀济中快速溶解矩形牺牲芯模，获得具有高精密内表面的矩形纯金腔体；溶解过程中可以借用超声波振荡、加热等辅助手段。

[0013] 步骤4、将矩形纯金腔体两端涂覆绝缘胶，利用高精密电铸技术在其外部电沉积金属层，厚度D为毫米量级，对金属层进行整平修整，获得具有装配要求外轮廓的太赫兹金属镀层空芯矩形波导。

[0014] 上述步骤1获得的矩形牺牲芯模的表面粗糙度、圆角半径，平均宽度和高度及其标准偏差通过优化微细电解线切割加工参数保证。

[0015] 上述步骤4中的电沉积金属层是铜层、镍层、合金层或者其它复合镀层。

[0016] 综上所述，本发明具有以下优点：

[0017] 1.不同传输频段的太赫兹金属矩形波导，其端面尺寸各不相同且都在微米级别，通过双微尺度线电极的间距及金属工件的厚度控制矩形芯模端面尺寸的方法，则需要多种厚度且表面质量较高的金属平板工件，这种方法制造的矩形波导各个表面精度的不一致将会对太赫兹波的传输性能造成影响。本方法中矩形芯模的各个表面都通过微细电解线切割加工完成，一致性良好，而且只需要一种厚金属平板工件即可实现不同尺寸的矩形芯模加工，通过加工轨迹设定和参数优化，可以获得端面尺寸精确控制、表面粗糙度和加工圆角较好的高质量矩形牺牲芯模。

[0018] 2.由于加工后的矩形牺牲芯模的尺寸和精度较高，表面电镀金层后溶解芯模，可以获得具有高质量内表面的矩形纯金腔体，解决了微米级金属矩形波导腔体内表面精密电镀难题。另外，金层厚度达到几十微米量级，在满足太赫兹波趋肤效应深度的同时，保证了采用超声波振荡、加热在内的方法快速溶解芯模过程中,金层更加坚固不易受到破坏。

[0019] 3.当采用纯铝作为芯模材料时，由于微细电解线切割加工杂散腐蚀严重及材料极易变形等原因，难以获得质量较好的矩形芯模，当采用纯镍及其它合金作为芯模材料时，常规的酸碱溶液溶解极其困难，本方法利用选择性刻蚀济实现了芯模的高效溶解，由于金层性质极其稳定，选用的选择性刻蚀济只需要针对芯模材料即可不会对矩形纯金腔体造成损坏，降低了选择性溶解的难度，增加了矩形牺牲芯模材料和选择性刻蚀济的选用范围。另外使用超声波震荡、加热在内的辅助手段，促进了狭窄的微腔体内矩形芯模的快速溶解。

[0020] 4.本方法直接对镀金芯模进行选择性溶解，相对于电镀金层后直接电铸铜层再进行溶解芯模的方法，消除了芯模溶解时选择性刻蚀济对外层电铸金属层损坏。制备出纯金腔体后再电铸外层金属，金属层的选择具有多样性，工艺方案更加合理。

[0021] 5.微细电解线切割加工精度在微米甚至亚微米级别，微细电镀-电铸以离子的形式进行，本发明突破了传统加工的极限，有别于现有加工中将封闭的矩形腔体剖分为覆盖面板和U型腔分别加工后再进行组装的制造方法，可以实现更高频段尺寸更加微小的太赫兹金属镀层空芯矩形波导的整体精密制造。

附图说明

[0022] 图1是矩形芯模左右切割表面微细电解线切割加工示意图；

[0023] 图2是矩形芯模上下切割表面微细电解线切割加工示意图；

[0024] 图3是矩形芯模表面电镀金层示意图；

[0025] 图4是电镀金层后的镀金芯模从毛坯工件切断示意图；

[0026] 图5是矩形镀金芯模溶解后获得矩形纯金腔体示意图；

[0027] 图6是矩形镀金腔体外层电铸金属层示意图；

[0028] 图7是太赫兹金属镀层空芯矩形波导；

[0029] 图中标号名称：1、微尺度线电极，2、（芯模左右切割表面）加工轨迹，3、厚金属平板工件，4、脉冲电源，5、（芯模上下切割表面）加工轨迹，6、绝缘胶，7、矩形牺牲芯模，8、电镀金层，9、矩形镀金芯模，10、局部剖开的矩形纯金腔体，11、矩形纯金腔体，12、电沉积金属层，13、太赫兹金属镀层空芯矩形波导。

[0030] 具体实施方法

[0031] 图1所示的矩形牺牲芯模左右切割表面微细电解线切割加工示意图中，（a）是矩形牺牲芯模切割的三维示意图，（b）是芯模切割的二维示意图；

[0032] 图2所示的矩形牺牲芯模上下切割表面微细电解线切割加工示意图中，（a）是矩形牺牲芯模切割的三维示意图，（b）是芯模切割的二维示意图；

[0033] 图3所示的矩形牺牲芯模表面电镀金层示意图中，（a）是前端部涂覆绝缘胶的矩形牺牲芯模，（b）电镀金层后的矩形牺牲芯模；

[0034] 图4所示的电镀金层后的镀金芯模从毛坯工件切断示意图中，（a）是去掉绝缘胶后的矩形牺牲芯模示意图，（b）是从毛坯工件切断后的矩形镀金芯模的示意图；

[0035] 图5所示的矩形镀金芯模溶解后获得矩形纯金腔体示意图中，（a）是矩形纯金腔体局部剖开示意图，（b）是矩形纯金腔体的示意图；

[0036] 图6所示的矩形纯金腔体外层电铸金属层示意图中，（a）是矩形纯金腔体两端涂覆绝缘胶的示意图，（b）是矩形纯金腔体外表面电铸金属层的示意图；

[0037] 图7是外轮廓表面修整后的太赫兹金属镀层空芯矩形波导；

[0038] 下面结合附图对本发明做进一步解释：

[0039] 步骤1、利用半径为R的微尺度线电极1对厚金属平板工件3进行微细电解线切割加工，加工出矩形牺牲芯模7；

[0040] 步骤1-1、首先加工矩形牺牲芯模7的左侧面、右侧面，设定加工轨迹2的长度为L、宽度为W1，加工时的侧面间隙为S1；获得左右两侧的高精密切割表面，其左右侧面之间的宽度W=W1-2S1-2R；

[0041] 步骤1-2、将厚金属平板工件旋转90°后，加工矩形牺牲芯模7上侧面、下侧面，设定加工轨迹5的长度为L、宽度为H1，加工时的侧面间隙为S2；获得上下两侧的高精密切割表面，其上下侧面之间的高度H=H1-2S2-2R；

[0042] 步骤2、在切割后的矩形牺牲芯模7前端部涂覆绝缘胶6，对其左、右、上、下共四个高精密切割表面电镀金层8，金层厚度T为几十微米量级；

[0043] 步骤3、将镀金矩形芯模9后端部从金属毛坯工件上切断并去掉前端部绝缘胶，借助于超声波振荡、加热在内的辅助手段，在选择性刻蚀济中快速溶解矩形牺牲芯模7，获得具有高精密内表面的矩形纯金腔体11；溶解过程中可以借用超声波振荡、加热等辅助手段。

[0044] 步骤4、将镀金腔体两端涂覆绝缘胶，利用高精密电铸技术在纯金腔体外部电沉积金属层12，其厚度D为毫米量级，对金属层进行整平修整，获得具有装配要求外轮廓的太赫兹金属镀层空芯矩形波导13。