微磨削锥塔结构Si表面的自适应方向检测与加工精度评价

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微磨削加工与光化学等蚀刻加工相比,具有微加工精度高和表面质量高的优点,但是,要获得更高附加值的表面特性需要控制微结构形状精度。机械式接触检测因触针的尺寸和刚性很难检测到微结构底部和尖端,所以微结构检测主要采用白光干涉检测方法。但是,光检测会因为微结构斜面无法收集光反射信号,很容易导致光滑结构面和边角数据丢失。目前,微结构形貌评价模式仅停留在表面形貌的微细程度和深宽比,尚未有微结构表面特征轮廓的评价报道。因此,本论文提出微结构表面自适应方向的白光干涉检测方法,构建空间检测数据点云的离散匹配和拼接模式,评价完整的微结构加工精度。首先,采用超细金刚石砂轮V形尖端在Si片表面磨削加工出表面光滑的微锥塔阵列结构。然后,采用白光干涉检测方法分别沿着锥塔斜面进行自适应检测,并对多次检测的空间点云进行匹配和拼接,重建出完整的微锥塔结构形貌。最后,分析空间检测点云的重构误差和特征轮廓误差。研究结果显示,检测点云的匹配误差随着匹配次数增加而逐渐减小,并收敛到一个稳定值,即微结构加工的形状误差。并且发现,传统的检测方法无法检测到尺度为50μm以下的微锥塔结构表面。自适应方向的白光干涉检测可以将142μm尺度的微锥塔结构重构精度提高35%,微结构加工形状误差为5.5μm,特征轮廓误差为6.0μm。此外,在加工50μm高的微锥塔结构中,其特征点误差高达15.0μm,为形状误差的3倍左右,这是由于微金刚石砂轮V形尖端容易磨钝。在20μm高的微锥塔结构中,自适应方向白光干涉检测方法可以获得完整的微结构形貌,形状误差可达到2.6μm。因此,基于空间检测数据的离散匹配和拼接的自适应方向检测方法可以评价微结构表面形貌精度和特征,并且,微磨削技术可以控制硬脆性部件的微结构加工精度。
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