CN101391328B - 一种微细电化学加工用电极的侧壁绝缘方法 - Google Patents

Abstract

一种微细电化学加工用电极的侧壁绝缘方法，涉及在微细电化学加工用电极的侧壁表面形成绝缘膜的方法，属于微细加工技术领域。该方法的操作步骤为：1)清洗电极；2)旋涂法在电极表面涂敷液态绝缘材料；3)利用局部溶解的方法去除电极端面的液态绝缘材料，使端面导电；4)固化液态绝缘材料；5)重复步骤2)、步骤3)、步骤4)数次，在电极的侧壁表面形成一定厚度的绝缘膜，以满足侧壁绝缘要求。绝缘材料可采用环氧树脂液。本发明不仅适用于微细电化学加工用单电极，而且适用于微细电化学加工用阵列电极，同时也为电生理学实验用电极提供了一种新的侧壁绝缘方法。

Description

一种微细电化学加工用电极的侧壁绝缘方法

技术领域

本发明涉及一种微细电化学加工用电极的侧壁绝缘方法，属于微细加工技术领域。

背景技术

金属及合金材料的微细阵列型孔作为一种典型的微细结构在MEMS、航空航天、精密仪器、化纤等领域有着广泛的应用，如高速打印机喷嘴板、光纤连接器、化纤喷丝板、微泵中的微细结构等。微细电化学加工具有无电极损耗、不产生应力、不受工具和工件材料机械性能影响、可以在导电材料上加工复杂形状、加工完成后的表面光洁度较高的特性，在精密和微细阵列型孔的加工中有着潜在的应用前景。但是，由于电化学加工是基于金属阳极在电解液中发生电化学溶解或沉积的原理来实现对工件的加工的，加工过程中阴极与阳极间的电位差在间隙电解液中形成的电场使工件上不希望被加工部位和已加工部位均可能产生杂散电流，而被蚀除或沉积，很大程度上影响了微细电化学加工精度。

为实现微细阵列型孔较高精度的电化学加工，本研究室采用工具电极侧壁绝缘的工艺路线，探索微细阵列型孔的高精度加工并达到工业产业化应用要求的可行性。微细电化学加工用电极的侧壁绝缘，有助于将电场约束在工具电极端面和工件表面之间的狭小区域内，抑制杂散电流，显著提高微细电化学加工的尺寸精度。微细电化学加工用电极对侧壁绝缘有着严格的要求，如较小的薄膜厚度(小于5μm)；结构致密，具有在电解液环境下的优良绝缘性能；厚度均匀；高附着强度等。特别的，微细电化学加工用阵列电极较微细电化学加工用单电极的侧壁绝缘具有更高的难度。

目前国内外已见诸报导的电极绝缘方法主要涉及气相沉积法、浸渍提拉法和滴涂法。1985年，飞利浦制造技术中心利用低压化学气相沉积技术(LPCVD)在微细钨单电极表面沉积了均匀、厚度约为15μm的p-SiC/n-SiC和SiC/Si3N4/SiC组合绝缘层。但是由于CVD是一种高温工艺，该方法对电极和绝缘膜的材料的要求较为苛刻，电极金属必须能够承受CVD进程中的高温，且必须和绝缘材料具有接近的膨胀系数，以保证绝缘膜的结合强度。2006年，山东科技大学的槐瑞托等人通过浸渍提拉在直径为200μm的不锈钢单电极表面涂敷了一层厚度均匀的绝缘树脂层，膜层厚度小于10μm。2006年，韩国国立首尔大学的B.J.Park等人通过滴涂稀释过的瓷釉，于直径为60μm的单电极表面涂敷了一层3μm厚的瓷釉层。浸渍提拉法或滴涂法，涂膜厚度较小，绝缘膜具有较好的绝缘性。

上述涉及浸渍提拉法和滴涂法的报导文献中，均是以微细单电极作为对象进行绝缘工艺研究的，而如果应用于微细阵列电极，易造成绝缘材料在阵列电极间隙中淤积，无法成膜。

微细电极在绝缘后，侧壁表面和端面均被绝缘膜覆盖，因此需要去除端面的绝缘膜，使端面导电以便用于电化学加工。端面导电的处理过去通常采用机械磨削方法。为了减少微细电极及侧壁绝缘膜层在机械打磨过程中所受的损害，打磨之前，需要利用保护介质包裹电极，打磨之后，需要去除保护介质方可实现微细电极的侧壁绝缘。该方法过程复杂，操作困难，即使有保护介质，打磨或去除保护物质过程中仍难免对微细电极及绝缘膜层造成损害。

发明内容

本发明的目的是提供一种微细电化学加工用电极的侧壁绝缘方法，既适用于微细电化学加工用单电极，也适用于微细电化学加工用阵列电极；并且避免了端面导电处理过程中机械磨削对微细电化学加工用电极及侧壁绝缘膜的损害。

本发明的技术方案如下：一种微细电化学加工用电极的侧壁绝缘方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)清洗电极；

2)采用旋涂法在电极表面涂敷液态绝缘材料；

3)利用溶剂液膜，通过局部溶解的方法去除电极端面的液态绝缘材料，使端面导电；

4)对侧壁表面上的液态绝缘材料进行固化处理；

5)重复步骤2)、步骤3)、步骤4)数次，在电极的侧壁表面形成一定厚度的绝缘膜，以满足侧壁绝缘要求。

本发明所述的液态绝缘材料采用由WSR 618环氧树脂、501活性稀释剂和651低分子聚酰胺树脂固化剂组成的环氧树脂液；所述的环氧树脂液的组成部分WSR 618环氧树脂、501活性稀释剂和651低分子聚酰胺树脂固化剂采用的质量配比为1∶(0.05～0.15)∶(0.3～0.6)。

上述技术方案中，所述环氧树脂液的固化温度为15℃～35℃，固化时间为30～50小时。

本发明的技术特征还在于，采用上述环氧树脂液作为绝缘材料时，用局部溶解法去除电极端面的液态绝缘材料时所用的溶剂为501活性稀释剂；在步骤5)中，形成的侧壁绝缘膜的厚度为2.5～5μm。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的有益效果：

本发明提供的侧壁绝缘方法：1)适用范围广。不仅可在微细电化学加工用单电极表面形成均匀致密的绝缘膜，而且也同样适用于微细电化学加工用阵列电极；2)工艺可控性强。成膜厚度远小于仅借助重力成膜的浸渍提拉法和滴涂法，进而可通过多次涂覆弥补影响绝缘性的成膜缺陷，从而尽可能小的薄膜厚度满足绝缘要求；3)在绝缘电极的端面导电处理过程中，避免了机械磨削对微细电化学加工用电极及侧壁绝缘膜的损害。

附图说明

图1为侧壁绝缘处理之前的微细电化学加工用阵列电极示意图。

图2为旋涂法涂敷绝缘材料示意图。

图3为侧壁表面及端面均附着有绝缘膜的微细电化学加工用阵列电极的示意图。

图4为对绝缘后的微细电化学加工用阵列电极的进行端面导电处理的示意图。

图5为侧壁绝缘且端面导电的微细电化学加工用阵列电极示意图。

图1～5中，各标号的意义如下：1-阵列电极；2-基底；3-电极单体；4-匀胶机托盘；5-专用夹具；6-绝缘膜；7-501活性稀释剂液膜；8-玻璃片

具体实施方式

本发明借鉴了硅微细加工技术中的甩胶工艺，提出采用旋涂法进行微细电化学加工用电极的侧壁绝缘。旋涂法对电极进行涂膜的工作原理是利用电极高速旋转产生的巨大离心力，在胶液表面张力和旋转离心力的共同作用下，使滴于电极表面上的胶液展成厚度均匀的胶膜，其中高速旋转运动由匀胶机提供。

对于附着有绝缘膜的微细电化学加工用电极，本发明提出端面溶解法进行电极端面的导电处理。

本发明的具体方案是：

1)清洗电极；

采用丙酮(分析纯)、去离子水、200g/L的稀盐酸、50g/L的NaOH进行清洗。部分清洗过程，辅以超声波振荡。

2)采用旋涂法在电极表面涂敷液态绝缘材料；

旋涂法中，电极旋转，利用高速旋转时产生的离心力，使滴于电极表面上的胶液展成厚度均匀的胶膜。

涂敷绝缘膜的过程为：①将液态绝缘材料滴于电极表面；②采用旋涂法低速涂胶；③采用旋涂法高速甩胶。经过该过程，即可在电极表面涂敷一层均匀的绝缘膜。

3)采用端面溶解法去除电极端面的液态绝缘材料，使端面导电

端面溶解法中，利用可溶解该绝缘层的溶剂液膜将电极端面的胶膜溶解掉，以使端面裸露导电。具体过程为：①采用旋涂法，在一平滑表面上涂敷一层很薄的溶剂液膜；②控制电极端面接触液膜表面，使电极端面的绝缘材料被溶解掉，而侧壁绝缘膜基本不被破坏。

4)采用一定的固化工艺，固化形成侧壁绝缘膜的液态绝缘材料

5)重复步骤2)、步骤3)、步骤4)数次，方可制备到一定厚度、并且满足微细电化学加工用电极的侧壁绝缘要求的绝缘膜。

以下结合附图，提供本发明的三个实施例，以环氧树脂液作为液态绝缘材料对微细电化学加工用阵列电极(微细电化学加工用阵列电极的电极单体3靠近基底2的一端为电极根部，另一端为电极端部，两端之间的侧表面为侧壁表面，电极端部表面为端面)和微细电化学加工用单电极进行侧壁绝缘处理。其中未进行绝缘处理的阵列电极1如图1所示。

首先提供进行微细电化学加工用阵列电极侧壁绝缘的实施例。

实施例1：

1、清洗阵列电极1

具体清洗工艺为：①去离子水，室温超声清洗10min；②200g/L的HCl，室温清洗30s；再用去离子水冲洗；③丙酮(分析纯)，室温超声清洗10分钟，重复3次；再用去离子水冲洗；④50g/L的NaOH，50℃超声清洗5min；再用60℃去离子水冲洗，重复冲洗2次；⑤200g/L的盐酸，室温清洗30s；再用去离子水冲洗；⑤丙酮(分析纯)，室温超声清洗10分钟；⑦乙醇(分析纯)，室温超声清洗10分钟；⑧取出阵列电极，置于无尘环境中自然干燥。

2、旋涂法在阵列电极表面涂敷液态环氧树脂绝缘材料

液态绝缘材料采用由WSR 618环氧树脂、501活性稀释剂和651低分子聚酰胺树脂固化剂组成的环氧树脂液。配置环氧树脂液，选用WSR 618环氧树脂、501活性稀释剂、651低分子聚酰胺树脂固化剂按照1∶0.05∶0.30的质量配比均匀混合而成。

如图2所示，旋涂过程中，所需旋转运动由匀胶机提供，阵列电极1通过专用夹具5固定在匀胶机托盘4上，基底2垂直于匀胶机托盘4的表面且平行于切向速度方向，基底2与匀胶机托盘4的旋转中心间距为40mm左右。

涂敷绝缘膜的过程为：①将环氧树脂液滴于阵列电极表面；②采用旋涂法低速涂胶，匀胶机托盘4的旋转速度ω为600r/min，旋转时间为1min；③采用旋涂法高速甩胶，匀胶机托盘4的旋转速度ω为8000r/min，旋转时间为17min。

经过该过程即可得到，附着有环氧树脂绝缘膜的微细电化学加工用阵列电极，如图3所示。由图中可见，此时阵列电极的侧壁表面和端面上均被绝缘膜覆盖。

3、端面溶解法去除阵列电极端面的绝缘材料，使端面导电，如图4所示，其过程为：

环氧树脂薄膜涂毕，采用旋涂法在玻璃片8上，涂敷一层很薄的501活性稀释剂液膜7；然后控制阵列电极端面接触液膜表面，使端面的绝缘材料被溶解掉，而侧壁绝缘膜基本不被破坏。

附着有绝缘膜的阵列电极采用端面溶解法使端面导电，即可得到，侧壁绝缘且端面导电的微细电化学加工用阵列电极，如图5所示。由图中可见，此时阵列电极的侧壁表面被绝缘膜覆盖，而端面的绝缘膜已被去除。

4、环氧树脂液态绝缘材料在35℃下固化30h。

5、重复步骤2)、步骤3)、步骤4)两次。

通过上述步骤方可制备得到，厚度为2.5～3.5μm、结构致密、结合力强、绝缘效果好的环氧树脂侧壁绝缘膜，实现微细电化学加工用阵列电极的侧壁绝缘。

实施例2：

1、清洗阵列电极1

具体清洗工艺为：①去离子水，室温超声清洗10min；②200g/L的HCl，室温清洗30s；再用去离子水冲洗；③丙酮(分析纯)，室温超声清洗10分钟，重复3次；再用去离子水冲洗；④50g/L的NaOH，50℃超声清洗5min；再用60℃去离子水冲洗，重复冲洗2次；⑤200g/L的盐酸，室温清洗30s；再用去离子水冲洗；⑥丙酮(分析纯)，室温超声清洗10分钟；⑦乙醇(分析纯)，室温超声清洗10分钟；⑧取出阵列电极，置于无尘环境中自然干燥。

2、旋涂法在阵列电极表面涂敷液态环氧树脂绝缘材料

液态绝缘材料采用由WSR 618环氧树脂、501活性稀释剂和651低分子聚酰胺树脂固化剂组成的环氧树脂液。配置环氧树脂液，选用WSR 618环氧树脂、501活性稀释剂、651低分子聚酰胺树脂固化剂按照1∶0.10∶0.40的质量配比均匀混合而成。

如图2所示，旋涂过程中，所需旋转运动由匀胶机提供，阵列电极1通过专用夹具5固定在匀胶机托盘4上，基底2垂直于匀胶机托盘4的表面且平行于切向速度方向，基底2与匀胶机托盘4的旋转中心间距为40mm左右。

涂敷绝缘膜的过程为：①将环氧树脂液滴于阵列电极表面；②采用旋涂法低速涂胶，匀胶机托盘4的旋转速度ω为600r/min，旋转时间为1min；③采用旋涂法高速甩胶，匀胶机托盘4的旋转速度ω为8000r/min，旋转时间为17min。

经过该过程即可得到，附着有环氧树脂绝缘膜的微细电化学加工用阵列电极，如图3所示。由图中可见，此时阵列电极的侧壁表面和端面上均被绝缘膜覆盖。

3、端面溶解法去除阵列电极端面的绝缘材料，使端面导电，如图4所示，其过程为：

环氧树脂薄膜涂毕，采用旋涂法在玻璃片8上，涂敷一层很薄的501活性稀释剂液膜7；然后控制阵列电极端面接触液膜表面，使端面的绝缘材料被溶解掉，而侧壁绝缘膜基本不被破坏。

附着有绝缘膜的阵列电极采用端面溶解法使端面导电，即可得到，侧壁绝缘且端面导电的微细电化学加工用阵列电极，如图5所示。由图中可见，此时阵列电极的侧壁表面被绝缘膜覆盖，而端面的绝缘膜已被去除。

4、环氧树脂液态绝缘材料在25℃下固化40h。

5、重复步骤2)、步骤3)、步骤4)两次。

通过上述步骤方可制备得到，厚度为2.5～3.5μm、结构致密、结合力强、绝缘效果好的环氧树脂侧壁绝缘膜，实现微细电化学加工用阵列电极的侧壁绝缘。

以下提供进行微细电化学加工用单电极侧壁绝缘的实施例。

实施例3：

1、清洗单电极

具体清洗工艺为：①去离子水，室温超声清洗10min；②200g/L的HCl，室温清洗30s；再用去离子水冲洗；③丙酮(分析纯)，室温超声清洗10分钟，重复3次；再用去离子水冲洗；④50g/L的NaOH，50℃超声清洗5min；再用60℃去离子水冲洗，重复冲洗2次；⑤200g/L的盐酸，室温清洗30s；再用去离子水冲洗；⑥丙酮(分析纯)，室温超声清洗10分钟；⑦乙醇(分析纯)，室温超声清洗10分钟；⑧取出单电极，置于无尘环境中自然干燥。

2、旋涂法在单电极表面涂敷液态环氧树脂绝缘材料

液态绝缘材料采用由WSR 618环氧树脂、501活性稀释剂和651低分子聚酰胺树脂固化剂组成的环氧树脂液。配置环氧树脂液，选用WSR 618环氧树脂、501活性稀释剂、651低分子聚酰胺树脂固化剂按照1∶0.15∶0.50的质量配比均匀混合而成。

旋涂过程中，所需旋转运动由匀胶机提供，单电极通过专用夹具固定在匀胶机托盘4上，电极轴线平行于匀胶机托盘4的径向，单电极与匀胶机托盘4的旋转中心间距为40mm左右。

涂敷绝缘膜的过程为：①将环氧树脂液滴于单电极表面；②采用旋涂法低速涂胶，匀胶机托盘的旋转速度ω为600r/min，旋转时间为1min；③采用旋涂法高速甩胶，匀胶机托盘的旋转速度ω为8000r/min，旋转时间为17min。

经过该过程即可得到，附着有环氧树脂绝缘膜的微细电化学加工用单电极，此时单电极的侧壁表面和端面上均被绝缘膜覆盖。

3、端面溶解法去除单电极端面的绝缘材料，使端面导电，其过程为：

环氧树脂薄膜涂毕，采用旋涂法在玻璃片上，涂敷一层很薄的501活性稀释剂液膜；然后控制单电极端面接触液膜表面，使端面的绝缘材料被溶解掉，而侧壁绝缘膜基本不被破坏。

附着有绝缘膜的单电极采用端面溶解法使端面导电，即可得到，侧壁绝缘且端面导电的微细电化学加工用单电极，此时单电极的侧壁表面被绝缘膜覆盖，而端面的绝缘膜已被去除。

4、环氧树脂液态绝缘材料在15℃下固化50h。

5、重复步骤2)、步骤3)、步骤4)三次。

通过上述步骤方可制备得到，厚度为4～5μm、结构致密、结合力强、绝缘效果好的环氧树脂侧壁绝缘膜，实现微细电化学加工用单电极的侧壁绝缘。

Claims (5)

1.一种微细电化学加工用电极的侧壁绝缘方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)清洗电极；

2)采用旋涂法在电极表面涂敷液态绝缘材料，所述的液态绝缘材料采用由WSR 618环氧树脂、501活性稀释剂和651低分子聚酰胺树脂固化剂混合而成的环氧树脂液；

3)利用溶剂液膜，通过局部溶解的方法去除电极端面的液态绝缘材料，使端面导电；

4)对侧壁表面上的液态绝缘材料进行固化处理；

5)重复步骤2)、步骤3)、步骤4)数次，在电极的侧壁表面形成一定厚度的绝缘膜，以满足侧壁绝缘要求。

2.根据权利要求1所述的微细电化学加工用电极的侧壁绝缘方法，其特征在于：所述的环氧树脂液的组分WSR 618环氧树脂、501活性稀释剂和651低分子聚酰胺树脂固化剂的质量配比为1∶(0.05～0.15)∶(0.30～0.50)。

3.根据权利要求1所述的微细电化学加工用电极的侧壁绝缘方法，其特征在于：所述环氧树脂液的固化温度为15℃～35℃，固化时间为30～50小时。

4.根据权利要求1所述的微细电化学加工用电极的侧壁绝缘方法，其特征在于：所述的环氧树脂液作为液态绝缘材料，在步骤3)中利用溶剂液膜通过局部溶解的方法进行电极端面的导电处理中，所用的溶剂为501活性稀释剂。

5.根据权利要求1所述的微细电化学加工用电极的侧壁绝缘方法，其特征在于：所述的环氧树脂液作为液态绝缘材料，在步骤5)中，形成的侧壁绝缘膜的厚度为2.5～5μm。

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