趙 忠，朱鵬程

（江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇省船海機(jī)械先進(jìn)制造及工藝重點實驗室，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展，微金屬傳感器以其體積小、重量輕、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點備受青睞，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、國防科技、海洋探測等領(lǐng)域[1-10]。在微金屬器件的制作中，微細(xì)電鑄技術(shù)因具有復(fù)制精度高、可重復(fù)性好、成本低的特點，在微納制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其中，高頻脈沖電源是微細(xì)電鑄技術(shù)中最重要的設(shè)備之一。與普通直流電源相比，高頻脈沖利用電流的脈沖間歇，在界面處補(bǔ)充溶液深處的金屬離子，從而提高極限電流密度，改善鑄層力學(xué)性能[11]。作為一種加工精度高、定域性強(qiáng)、可實現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)加工的技術(shù)，高頻脈沖電鑄技術(shù)可應(yīng)用于包括微孔、微型腔、微溝道等復(fù)雜微金屬結(jié)構(gòu)的加工制作中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)于高頻脈沖電源的設(shè)計，朱維龍[12]采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）設(shè)計了一款具有多波形數(shù)字化控制的脈沖電鍍電源，并可應(yīng)用于電鍍生產(chǎn)線。為了改善IGBT的導(dǎo)通關(guān)斷過程，于曉慧[13]采用移相控制器改善了脈沖電源的輸出波形，有效提高了脈沖頻率。王建業(yè)等[14]采用金氧半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）斬波方式設(shè)計了一款適合中小零件加工的脈沖電源。為了適應(yīng)雙向脈沖輸出的需要，張亞坤[15]采用MOSFET設(shè)計了具有雙向脈沖輸出的電鍍電源，采用IGBT設(shè)計脈沖電源適用于大功率電鍍的場合；然而，利用開關(guān)管設(shè)計的脈沖電源其控制電路復(fù)雜、諧波嚴(yán)重，且開關(guān)高頻通斷過程會產(chǎn)生浪涌電流。對于微電鑄而言，開關(guān)管產(chǎn)生的浪涌電流會使得局部沉積電流過大，導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)燒焦現(xiàn)象，這些都會影響微電鑄加工的精度和質(zhì)量。為了克服功率開關(guān)管脈沖電源的缺點，趙忠等[16]采用ICL8038芯片設(shè)計了一款高頻脈沖電源，能夠滿足微電鑄加工要求，但其占空比僅有幾檔調(diào)節(jié)，不能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)控制。此外，林偉等[17]采用AD9850芯片設(shè)計了用于光學(xué)碼板電解加工的脈沖電源，但其電源設(shè)計需使用波形調(diào)理芯片，控制復(fù)雜。目前，關(guān)于超窄脈沖電源研究主要集中于電解加工定域性的研究，對于采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)設(shè)計適用于微電鑄加工的脈沖電源研究較少。

針對微電鑄加工的特點，本文基于STC89C51單片機(jī)與AD9850芯片設(shè)計了一款控制簡單、波形良好的超窄脈沖電源，并采用微電鑄實驗制作了電沉積鎳層，采用掃描電鏡與表面輪廓方法表征了沉積層表面質(zhì)量，超窄脈沖電源適用于微電鑄結(jié)構(gòu)的加工。

1 脈沖電源硬件電路設(shè)計

在微電鑄工藝中，由于微電鑄結(jié)構(gòu)較小，電源功率較小。圖1是電源設(shè)計的整體思路，利用AD9850芯片產(chǎn)生脈沖加信號放大的方式能夠滿足微電鑄工藝的要求，整個電源可分為主控模塊、DDS模塊、按鍵模塊及液晶顯示模塊。其中，矩陣鍵盤輸入并裝載波形頻率，然后通過串口送于單片機(jī)；單片機(jī)將接收的信號轉(zhuǎn)化為AD9850的頻率控制字和相位控制字；AD9850根據(jù)相應(yīng)的控制字產(chǎn)生相應(yīng)的波形和頻率。

圖1 超窄脈沖電源硬件設(shè)計圖

圖2是單片機(jī)的控制電路設(shè)計。脈沖電源的控制電路采用STC89C51R芯片作為整個系統(tǒng)的控制核心，芯片與各模塊進(jìn)行電路連接設(shè)計，包括鍵盤電路的連接、LCD1602顯示器的連接和DDS芯片的連接。

圖2 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)的RST/VPD引腳與復(fù)位電路連接。其中，復(fù)位電路上10 uF電容C6與一個阻值10 kΩ的R9串聯(lián)，電容的正極接5 V電源，電容上并聯(lián)一個名為S34的按鍵，R9電阻一端接地；工作時按下復(fù)位電路鍵，此時電容放電RST引腳會收到兩個機(jī)器周期以上的高電平從而使得系統(tǒng)復(fù)位。在設(shè)計中，與X1、X2引腳連接的是晶振電路，X1連接電容為30 pF的C7，X2連接電容為30 pF的C8，將C7與C8串聯(lián)并接地，另在X1與X2上接上頻率12 MHz的晶振，這個電路的作用主要是為單片機(jī)提供工作信號脈沖；其次，在31號引腳上連接4.7 kΩ的電阻，電阻另一端與5 V正極連接，其作用是EA=1時程序從內(nèi)部ROM開始執(zhí)行，EA=0時程序從外部ROM開始執(zhí)行。P0口（P0.0~P0.7）與LCD1602的DB0~DB7相連接，P0口內(nèi)部為開漏輸出，需要外接上拉電阻，通過并行數(shù)據(jù)傳輸方式，用于傳輸數(shù)據(jù)或指令給LCD1602。最后，引腳P2.0~P2.7連接鍵盤模塊，用來接收來自按鍵S18~S33的輸入信號。

圖3是AD9850控制電路圖設(shè)計，采用AD9850作為DDS輸出芯片，其具有頻率切換時間短、頻率分辨率高、相位連續(xù)變化、輸出波形靈活、低相位噪音和漂移等特點[17]，其中VCC連接5 V電源，引腳1~4連接LPF低通濾波模塊，引腳GND接地，引腳6~9連接單片機(jī)。

圖3 AD9850控制電路圖

AD9850芯片參考時鐘頻率工作，當(dāng)工作一個周期時，累加器將控制字和寄存器輸出值累加并將和值送到寄存器中，下一周期運算往復(fù)循環(huán)。在參考頻率源的作用下，頻率控制字不停累加，此時相位累加器輸出的數(shù)據(jù)將會送至正弦ROM存儲器來調(diào)取所對應(yīng)的幅值表。由此，從相位到幅值之間的轉(zhuǎn)化就此完成。其中，輸出頻率與占空比的計算方式[18]如下：

式中：f0為輸出頻率；fc為參考時鐘頻率；k為頻率控制字；N為相位累加器字長；D為占空比；t為輸出信號導(dǎo)通時間；T為輸出信號周期。

圖4是LCD1602電路原理設(shè)計，LCD1602顯示器顯示頻率與占空比值。其中，引腳1與引腳3接滑動變阻器R6，引腳2用一電容并聯(lián)到引腳1上，引腳DB0~DB7連接到單片機(jī)，引腳A即LCD背光電源正極引腳串聯(lián)一個電容并外接5 V電源，最后再與引腳K連接，共同接地。

圖4 LCD1602電路原理圖

2 脈沖電源軟件設(shè)計

脈沖電源系統(tǒng)軟件的設(shè)計過程如下：首先打開keil軟件，按照程序模塊化的思路創(chuàng)建以.h為格式的包括系統(tǒng)資源、芯片、功能函數(shù)及便簽四個文件夾；然后通過創(chuàng)建多個新工程，分別編寫出名為主函數(shù)、延時函數(shù)、串口通信函數(shù)的.c格式的程序文件，并將之放入到資源文件夾中；接下來采用相同的方法分別將編寫的lcd1602.c、ad9850.c、key.c放入芯片文件夾中，將disp.c、frecircul.c、judge.c放入功能函數(shù)文件夾中；最后將developer diary.c、help.c放入便簽文件夾中。

采用STC89C52RC創(chuàng)建新工程，并在新工程中選擇STC89C52RC作為控制器。當(dāng)進(jìn)入程序編譯窗口后先把之前編譯好的程序加載到Target文件下，然后編譯出.hex格式的主程序文件，單片機(jī)上電后，單片機(jī)從片內(nèi)FLASH程序區(qū)的0000H開始執(zhí)行指令。首先對單片機(jī)系統(tǒng)初始化復(fù)位，以便中央處理器處于一個確定的初始狀態(tài)，另外需對其堆棧指針SP、ALE等寄存器以及4個I/O端口等進(jìn)行復(fù)位，片內(nèi)RAM中內(nèi)容不變；接著，對LCD1602進(jìn)行初始化，設(shè)置LCD1602的開啟，使指針置于首位；然后，對UART異步串口進(jìn)行初始化，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)幀長度，使能串口中斷；接下來，對AD9850初始化，將w_clk、fq_up、reset進(jìn)行復(fù)位置零；最后是while（1）引導(dǎo)的循環(huán)程序，在其中包含了按鍵循環(huán)判斷、串口通信實時數(shù)據(jù)接收、LCD1602數(shù)據(jù)更新及顯示、AD9850芯片頻率更新。AD9850的控制流程見圖5。

圖5 AD9850控制流程圖

3 電鑄實驗

3.1 電源樣機(jī)測試

設(shè)計電氣原理圖，搭建實物平臺，調(diào)試電源程序，得到的脈沖電源實物見圖6。采用萬用表對電路板各個模塊進(jìn)行檢測以排除虛焊及短接情況，其次檢測芯片連接是否正確，通電測試電源、芯片電壓的穩(wěn)定性，并測試電阻及相關(guān)元器件是否正常。

圖6 超窄脈沖電源實物圖

圖7是示波器顯示的高頻脈沖電源輸出脈沖波形，可見脈寬在百納秒級，波形質(zhì)量狀況良好。能夠滿足設(shè)計要求，適用于微電鑄加工。

圖7 超窄脈沖電源輸出波形圖

3.2 電鑄實驗測試

采用微電鑄實驗研究脈沖電源的性能，對比分析超窄脈沖電源的電沉積效果。實驗裝置包括脈沖電源、電鑄槽和水浴箱等；電鑄液成分包括質(zhì)量濃度600 g/L的氯化鎳、40 g/L硼酸、0.1 g/L潤濕劑，電鑄液的pH值約為4.2。實驗步驟如下：銅基底經(jīng)過研磨拋光后用丙酮和酒精清洗，去離子水洗凈再用氮氣吹干；將電鑄液加入電鑄槽中水浴50℃保溫一段時間，采用毫秒級脈沖電源與超窄脈沖電源進(jìn)行試驗，電沉積時間為20 min。其中，毫秒級脈沖電源電流密度為0.4 A/dm2，脈沖波形為矩形波，頻率為1 kHz、脈寬為200 ms；超窄脈沖電源電流密度為0.4 A/dm2，脈沖波形為矩形波，頻率為1 MHz、脈寬為220 ns。

試驗完成后，采用探針輪廓儀測量表面粗糙度，設(shè)觸針移動速度為0.5 mm/s、采樣步長為2μm、采樣直線距離為10 mm，所得到的沉積層表面輪廓曲線見圖8。根據(jù)該表面輪廓曲線，微秒脈沖電沉積層表面粗糙度為Ra1.8μm，超窄脈沖電沉積層表面粗糙度為Ra0.5μm。相對于微秒脈沖電沉積層，采用超窄脈沖電源制作的電沉積層表面更為光滑，這主要是由于超窄脈沖頻率高，在脈沖間歇電解液深處的金屬離子能夠更快地得到補(bǔ)充，改善了電沉積體系的極限電流密度，提高了金屬形核率，細(xì)化了由晶核形成的沉積晶粒，從而減小了由沉積晶粒組成的金屬表面團(tuán)聚體顆粒的大小，使金屬表面更加光滑。

圖8 不同脈沖電源條件下電鍍層表面粗糙度

采用掃描電鏡觀察鍍層表面質(zhì)量，得到的沉積層表面形貌見圖9。可見，采用普通微秒脈沖制作的沉積層表面團(tuán)聚體晶粒尺寸較大，團(tuán)聚體結(jié)合處具有一定的凹坑和縫隙結(jié)構(gòu)；而超窄脈沖電源制作的沉積層表面更為光滑，未出現(xiàn)凹坑等表面缺陷。由以上分析可知，超窄脈沖能夠優(yōu)化沉積層表面質(zhì)量，具有較高的實用價值。

圖9 不同脈沖電源條件下電鍍層表面SEM圖

4 結(jié)論

針對微電鑄加工的特點，本文基于STC89C51單片機(jī)與AD9850芯片設(shè)計了一款控制簡單、波形良好的超窄脈沖電源，并對脈沖電源的輸出波形進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

（1）利用AD9850芯片產(chǎn)生超窄脈沖，采用STC89C51單片機(jī)作為控制核心能夠發(fā)送AD9850頻率和占空比控制字，簡化了控制電路，輸出波形穩(wěn)定、準(zhǔn)確，脈沖波形良好，適用于微電鑄加工。

（2）脈沖電源輸出波形包括矩形波、三角波和正弦波，能夠滿足不同脈沖波形的電沉積要求。

（3）高頻脈沖處理能夠明顯改善微電鑄沉積層表面質(zhì)量，是微細(xì)電鑄發(fā)展的重點方向。