电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理对材料进行腐蚀成形的加工方法 。从加工机理上看 , 工件阳极上的金属原子在加工中不断地失去电子成为离子而从工件上溶解 , 其材料的减少过程以离子的形式进行 , 这种微离子去除方式使电解加工具有微细加工能力 。又因为电解加工过程中工具电极和工件不接触 ,具有加工材料范围广泛 ,不受材料强度 、硬度 、韧性的影响 ,工件表面无加工应力 、无变形以及热影响区 、无工具电极损耗 、加工表面质量好等一系列独特的优点, 微细电解加工技术是当前电化学加工领域中最活跃也是最热点的研究方向。近几年来 ,微细电解加工技术延续了 20 世纪 90 年代以来的良好发展势头 , 工艺技术水平和设备性能均得到了稳步发展 , 应用领域进一步扩展 。下面简要对几种典型微细电解加工技术进行介绍和讨论  。

掩膜微细电解加工掩膜微细电解加工是结合了掩膜光刻技术的电解加工方法 。它是在工件的表面( 单面或双面) 涂敷一层光刻胶 ,经过光刻显影后 ,工件上形成具有一定图案的裸露表面 , 然后通过束流电解加工或浸液电解加工 ,选择性地溶解未被光刻胶保护的裸露部分 ,最终加工出所需形状工件。由于金属溶解是各向同性的 ,金属在径向溶解的同时也横向被溶解 , 因此研究如何控制溶解形状 、尽量减少横向溶解等对保证掩膜微细电解的加工精度非常重要。为了提高加工速度和加工精度, 可在工件两面都覆盖一层图案完全相同的掩膜 , 从两边相向同时进行溶解  。

电液流微细电解加工

电液流微细加工是在金属管电极加工小孔的基础上发展起来的一种微细电解加工方法, 主要用于加工航空工业中的各种小孔结构。电液流加工时,采用呈收敛形状的绝缘玻璃管喷嘴抑制电化学反应的杂散腐蚀 ,高压电解液由玻璃管中的高压金属丝极化后,高速射向工件待加工部位 ,利用高电压电场进行金属的电化学去除加工。玻璃管电极是电射流加工的主要工具。玻璃管的直径大小决定了电射流加工的尺度, 通常加工孔径为 0 . 13 ~ 1 . 30 mm 。据国外报道, 可加工最小孔径为 0 . 025 mm , 加 工 精 度 为 孔 径 的 ±5 %或 ±0 . 025 mm。电射流加工技术非常适合加工航空发动机高温涡轮叶片的深小孔 、孔轴线与表面夹角很小的斜孔和群孔等。电液流加工方法不存在切削力 ,因此可对薄壁零件进行切割。由于玻璃管阴极的制造工艺限制了阴极直径尺寸不可能任意缩小,从而大大限制了电液束加工的能力。采用阴极不进给的方式,加工孔径不受电极直径尺寸的限制, 故可加工出直径小于 0 . 1 mm 的微孔, 但加工深度很有限 。而采用阴极进给方式 ,加工孔径至少要大于阴极管的外径。目前的研究水平表明, 对于直径为 0 . 2mm以上的微孔,采用阴极进给方式加工 , 可加工出深径比为 100∶ 1 的深小孔  。

EFAB 技术EFAB( Electrochemical Fabrication)制作技术是由美国南加州大学信息研究所的 Adam Coben 等人于1999 年提出的。它是基于 SFF( Solid Freeform Fabrication) 的分层制造原理 , 用一系列实时的掩模板选择性电沉积金属将微结构层层堆积起来 , 这些实时的掩模板是通过将光刻胶涂于金属衬底上 ,经光刻显影后形成的 。在电沉积时 ,掩模板的衬底作为电铸阳极, 这与 LIGA 和准 LIGA 技术中的掩模电铸是完全不同的[ 12] 。利用 EFAB 制作三维金属微结构需循环进行选择性电沉积、平铺电沉积和平坦化 3个步骤以及最后的选择性刻蚀, 选择性电沉积和平铺电沉积的金属, 既可是结构金属也可是牺牲层金属 ,它克服了 LIGA 和准 LIGA 只能加工简单平面三维的缺点,能加工真正的三维图形,因而具有很好发展前景。但 EFAB 也存在着加工过程非常复杂、步骤繁多的问题,这使制造费用极其昂贵。

约束刻蚀剂层技术

约束刻蚀剂层技术( Confined Etchant Layer Technique, 简称 CELT) 是 1992 年由厦门大学的田昭武院士等人提出的。该技术将传统的各向同性的湿法化学刻蚀变为具有距离敏感性的化学刻蚀 , 能在不同的材料( 半导体、金属和绝缘材料) 上实现复杂三维微图形的复制加工 ,已成功地在 Si 、Cu 、GaAs 等材料上加工出复杂三维立体结构。其加工的基本原理是 : 利用电化学或光化学反应在三维图形的模板表面产生刻蚀剂,当刻蚀剂向溶液中扩散时 ,与溶液中的捕捉剂迅速发生反应 , 致使刻蚀剂几乎无法从模板表面往溶液深处扩散 , 从而把刻蚀剂紧紧地约束在模板表面轮廓附近的很小区域内。当模板逐步靠近待加工材料的表面时 , 被约束的刻蚀剂就能和待加工基底的表面发生化学反应 , 从而加工出与模板互补的三维微图形  。

脉冲微细电解加工技术

虽然电解加工利用电化学溶解蚀除的方式加工 ,理论上可达到离子级的加工精度 ,在加工质量上又具有很多优点 ,但加工中在阳极工件表面不管是加工区还是非加工区只要有电流通过 , 都会发生电化学反应 ,造成杂散腐蚀 。因此 ,将其应用于微细加工领域 ,必须解决杂散腐蚀的问题 ,提高电化学反应的定域蚀除能力 。早期研究发现 ,脉冲电解可提高溶解的定域性和过程稳定性 , 但对脉冲宽度在溶解定域性上起多大作用及其起作用的具体机理并不清楚 。后来研究发现 ,脉冲电解中采用脉宽为毫秒级和微秒级的脉冲 ,可使电流效率-电流密度曲线的斜率增大 ,加工过程的非线性效应增强 ,工件溶解的定域性得到提高 , 有利于提高加工精度 。随着纳秒脉冲电源的应用 ,微细电解加工得以向更细微化的方向发展 。德国 Fritz -Haber 研究所的 R . Schuster 、 V . Kirchner 等人采用脉冲宽度为纳秒级的超短脉冲电流进行电化学微细加工新技术 , 成功地加工出了数微米尺寸的微细零件 , 加工精度可达几百纳米 ,充分发挥了脉冲电流微细电解加工的潜力 。该技术根据电化学测试技术 ,在电解加工系统中又增加了参比电极和辅助电极 ,用电化学恒电位仪严格监控工具和工件的电极电位( 将工具电位控制在被加工金属的平衡电位 , 工件电位控制在高于工具电位 0 . 2 V) ; 通过对极间电流波形的高速采样精密控制加工间隙至 1 μ m , 使用超短脉冲( 脉宽30 ns 、占空比 1∶ 10) 小容量电源提供能量 , 实现了亚微米级精度的电化学加工  。

其他有关微细电解加工的研究进展基于扫描探针显微术的微细电解加工技术近年来受到广泛关注 , 其中既有基于扫描电化学显微镜( SECM) 的 ,也有基于扫描隧道显微镜( STM )的 , 不过基本上都是处于实验室研究阶段 。该方法的特点是加工尺度可达微米级以下 ,显示出微细电解加工技术在微/纳加工领域的潜能 。加工中的阴极通常采用电化学腐蚀得到的探针电极 , 探针的形状和尺寸对加工的分辨率和加工质量有很大影响 ,探针针尖尺寸可小至纳米级 。日本研究人员采用 STM 进行电解腐蚀 , 加工出深 100 nm 、宽 200 ~ 300 nm 的微槽。也有人尝试采用激光与 STM 联用进行电解微/纳米材料加工的新方法 。考虑到采用 STM 进行微细电解加工对设备和加工条件要求苛刻 ,有人提出相对简单的基于扫描离子电导显微术的电解微细加工方法 : 采用内部充满电解液的微滴管作为微探针 ,微滴管的尖端口径从 0 . 1 μ m 到数十微米不等 ,在微滴管内设置一金属电极构成阴极 , 通过反馈控制电路保持微滴管与阳极表面的间距恒定,移动微滴管以不同路径横向扫描阳极 , 即可在阳极表面加工出任意形状的点 、线 、面结构 。