CN102092676A

CN102092676A - 一种批量制备大纵横比三维微结构的方法及系统

Info

Publication number: CN102092676A
Application number: CN 201110022872
Authority: CN
Inventors: 章海军; 周雅各; 张冬仙
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2011-06-15

Abstract

本发明公开了一种批量制备大纵横比三维微结构的方法及系统。采用电化学沉积和分别用步进电机控制微电极Z向移动与加工基底XY向移动的方法，实现了各种不同三维微结构的快速批量制备。该系统具有相连接的计算机、XY向步进移动平台、Z向步进电机、CCD监控系统、三维微结构批量制备核心单元、电源及控制电路。本发明采用的微电极解决了加工效率和精度不高、加工尺度不够微细、加工稳定性不足等问题，可加工出纵横比大均匀性好的三维微结构，同时通过将多个微电极并联和分别用步进电机控制微电极Z向移动与加工基底XY向移动的方式实现了精确高效批量进行三维微结构的制备。

Description

一种批量制备大纵横比三维微结构的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种批量制备大纵横比三维微结构的方法及系统。用于某些难加工金属及其合金材料的精密加工、对加工质量性能有特殊要求的微加工场合(如表面光滑、无应力的加工等)、以及在金属或半导体材料上快速批量加工微电极。

背景技术

微光机电系统（Micro-Optical-Electro-Mechanical System，MOEMS）是微电子技术与机械、光学技术结合而产生的，是20世纪90年代初兴起的微型智能系统。MOEMS研究中最活跃的领域是微细加工技术的研究。这些技术主要包括硅的体微加工技术、表面微加工技术、LIGA（X射线深处光刻、电铸成型和塑铸型）技术以及键合技术与牺牲层技术等。但是这些技术的不足之处在于它们往往需要昂贵的设备和复杂的步骤，需要较长的制备周期，以及对加工材料的限制等。因此，有必要寻求低成本、简单快速的微细加工技术。

与其他的微细加工方法相比，电化学微加工具有可加工材料范围广、无宏观加工作用力、加工表面质量好、无内应力、可实现批量加工和三维加工等诸多优点。近年来，随着人们对电化学微加工技术研究的不断深入，电解加工在许多方面取得了长足的进步。新型电源（如采用纳秒级脉宽的超短脉冲电源）、有效的微小加工间隙的检测和监控方法、性能优异的新型电解液（如超纯水新型电解液）、各种复合加工方法（如超声电解复合加工、激光辅助电化学微加工等）、运动进给方案、专用加工控制系统等方面的研究成果不断涌现，已经使电解加工进入了微加工领域。

但是，利用传统的微电极进行加工，仍然存在许多问题，例如加工效率和精度不高、加工尺度不够微细、加工稳定性不足。为此，本发明研究设计一种全新的微电极，提出了一种批量制备大纵横比三维微结构的新技术，建立了一种批量制备大纵横比三维微结构的技术装备。采用将多个（三个或更多）该微电极并联和分别用步进电机控制微电极Z向移动与加工基底XY向移动的方式，并通过CCD监控使得多个微电极和阴极基底之间的初始间隙保持一致，实现三维微结构的快速批量制备，满足我国国民经济和社会发展、科学技术及国防等领域的国家需求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种批量制备大纵横比三维微结构的方法及系统。

批量制备大纵横比三维微结构的方法是采用电化学沉积的方法，引入了一种微电极，该微电极是将Pt-Ir丝直接插入到玻璃毛细管中制成的，且末端与毛细管端口持平，通过CCD监控调整得到阴极基底和阳极微电极之间的3～5um初始间隙，将多个微电极的一端并联然后连接步进电机控制微电极Z向移动，步进电机同时控制基底XY向移动，并通过CCD监控使得多个微电极和阴极基底之间的初始间隙保持一致，实现三维微结构的快速批量制备。

批量制备大纵横比三维微结构的系统包括计算机、XY向步进移动平台、Z向步进电机、CCD监控系统、三维微结构批量制备核心单元、电源及控制电路；计算机分别与XY向步进移动平台、Z向步进电机、CCD监控系统相连接，三维微结构批量制备核心单元分别与电源及控制电路、XY向步进移动平台、Z向步进电机、CCD监控系统相连接；三维微结构批量制备核心单元包括阳极微电极、防震平台、XY向步进平移台、电解液池、阴极基底、硫酸铜和硫酸的混合溶液、直流电源、限流电阻、滑动变阻器、Z向步进电机；在防震平台上设有XY向步进平移台、直流电源、Z向步进电机，在XY向步进平移台上设有电解液池，在电解液池底部固定有阴极基底，在电解液池内部充满硫酸铜和硫酸的混合溶液，在Z向步进电机上固定有阳极微电极。

所述的阳极微电极包括第一玻璃毛细管、第一Pt-Ir丝、第二玻璃毛细管、第二Pt-Ir丝、第三玻璃毛细管、第三Pt-Ir丝；第一玻璃毛细管内插有第一Pt-Ir丝，第二玻璃毛细管内插有第二Pt-Ir丝，第三玻璃毛细管内插有第三Pt-Ir丝，第一Pt-Ir丝、第二Pt-Ir丝、第三Pt-Ir丝的一端相连。

本发明的批量制备大纵横比三维微结构的技术及系统，其优点是结构简洁，技术条件易于实现。克服了传统微结构加工往往需要昂贵的设备和复杂的步骤、需要较长的制备周期、以及对加工材料的限制等问题，设计了一种新型的微电极解决了加工效率和精度不高、加工尺度不够微细、加工稳定性不足等问题，可加工出纵横比大均匀性好的三维微结构，通过将多个微电极并联和分别用步进电机控制微电极Z向移动与加工基底XY向移动的方式实现了精确高效批量进行三维微结构的制备。可望在微纳光学制造和加工领域得到广泛应用。

附图说明

图１是批量制备大纵横比三维微结构的系统方框图；

图2是本发明的三维微结构批量制备核心单元的结构示意图；

图3是本发明的阳极微电极结构示意图；

图中：阳极微电极1、防震平台2、XY向步进平移台3、电解液池4、阴极基底5、硫酸铜和硫酸的混合溶液6、直流电源7、限流电阻8、滑动变阻器9、Z向步进电机10、第一玻璃毛细管11、第一Pt-Ir丝12、第二玻璃毛细管13、第二Pt-Ir丝14、第三玻璃毛细管15、第三Pt-Ir丝16。

具体实施方式

采用电化学沉积的方法，引入了一种微电极，该微电极是将Pt-Ir丝直接插入到玻璃毛细管中制成的，且末端与毛细管端口持平，通过CCD监控调整得到阴极基底和阳极微电极之间的3～5um初始间隙，并在加工过程中保持这个微小间隙，有效减少了杂散腐蚀的不利影响，增强阳极溶解的定域性，从而使成形加工的精度提高。将多个（三个或更多）微电极的一端并联然后连接步进电机控制微电极Z向移动，步进电机同时控制基底XY向移动，并通过CCD监控使得多个微电极和阴极基底之间的初始间隙保持一致，实现三维微结构的快速批量制备。

如图1、2所示，批量制备大纵横比三维微结构的系统包括计算机、XY向步进移动平台、Z向步进电机、CCD监控系统、三维微结构批量制备核心单元、电源及控制电路；计算机分别与XY向步进移动平台、Z向步进电机、CCD监控系统相连接，三维微结构批量制备核心单元分别与电源及控制电路、XY向步进移动平台、Z向步进电机、CCD监控系统相连接；三维微结构批量制备核心单元包括阳极微电极1、防震平台2、XY向步进平移台3、电解液池4、阴极基底5、硫酸铜和硫酸的混合溶液6、直流电源7、限流电阻8、滑动变阻器9、Z向步进电机10；在防震平台2上设有XY向步进平移台3、直流电源7、Z向步进电机10，在XY向步进平移台3上设有电解液池4，在电解液池4底部固定有阴极基底5，在电解液池4内部充满硫酸铜和硫酸的混合溶液6，在Z向步进电机10上固定有阳极微电极1。

如图3所示，阳极微电极1包括第一玻璃毛细管11、第一Pt-Ir丝12、第二玻璃毛细管13、第二Pt-Ir丝14、第三玻璃毛细管15、第三Pt-Ir丝16；第一玻璃毛细管11内插有第一Pt-Ir丝12，第二玻璃毛细管13内插有第二Pt-Ir丝14，第三玻璃毛细管15内插有第三Pt-Ir丝16，第一Pt-Ir丝12、第二Pt-Ir丝14、第三Pt-Ir丝16的一端相连。Pt-Ir丝和玻璃毛细管末端基本持平，各玻璃毛细管在同一直线上，且末端也相互持平。

阳极微电极由三个内部插有Pt-Ir丝的玻璃毛细管并列制成，其中不同直径的Pt-Ir丝可以制备得到不同线宽的三维微结构；用纯度为99.9%的铜片作为阴极基底，厚度为100mm长宽为10mm X10mm；为了控制电化学杂散腐蚀和电解液的导电性以提高加工精度，选取浓度较低的0.5 M/L CuSO₄+ 0.4 M/L H₂SO₄的混合溶液作为电解液；按照所要加工的三维微结构的线宽来控制电压（0-5V）和Z向步进电机的移动速度。

用直径为100mm的Pt-Ir丝制成微电极，铜片固定在电解液池底部，阳极微电极固定在Z向步进电机上，并同时置于电解液中，通过CCD监控系统观测调整好微电极和铜片之间的初始间隙。在电化学沉积的过程中，保持两级间的微小间隙可以有效减少杂散腐蚀的不利影响，增强阳极溶解的定域性，从而使成形加工的精度提高。但同时如果加工间隙过小也会带来一些问题，如加工时产生的电解产物将更难排出，很容易发生淤积与粘附，从而导致短路，影响加工过程的正常进行；另外也容易使级间出现微火花放电现象，产生不可控的放电蚀除，使加工精度和表面质量下降。为此，通过CCD监控系统观测将三个初始间隙均调整为5mm左右。

电压和电流密度的调节通过改变滑动变阻器的阻值来实现，并相应的调节Z向步进电机的移动速度，使得微电极的上升速度和沉积速率基本保持一致，便可快速制备出一组铜微柱。电解液池固定在XY向步进平移台上，微结构制备过程中保持XY向步进平移台固定不动，在铜片表面某一区域加工出一组（三个）铜微柱后，移动XY向步进平移台从而改变阳极微电极和阴极基底的相对位置，重复加工步骤，便能在铜片表面一新区域加工出另一组铜微柱。如此反复若干次，即可得到一组铜微柱阵列，实现三维微结构的快速批量制备。利用该方法，加工时若使Z向步进电机和XY向步进平移台同时移动，并通过计算机编程控制移动路径和速度，可批量制备出各种所需形状的三维微结构。

微结构的线宽和纵横比，主要由加工过程中各参数决定。Pt-Ir丝直径取定时，线宽取决于Z向步进电机移动速度，纵横比取决于加工时间，在一定范围内，纵横比随加工时间增大而增大。本发明的技术指标是：微结构线宽在1～100mm内可调，制备速度在0.1～10mm/s内可控，最大纵横比可超过50:1，能同时快速制备多个微结构，达到了利用低成本简单设备高效精确批量制备纵横比大均匀性好的三维微结构的目标。

Claims

1.一种批量制备大纵横比三维微结构的方法，其特征是采用电化学沉积的方法，引入了一种微电极，该微电极是将Pt-Ir丝直接插入到玻璃毛细管中制成的，且末端与毛细管端口持平，通过CCD监控调整得到阴极基底和阳极微电极之间的3～5um初始间隙，将多个微电极的一端并联然后连接步进电机控制微电极Z向移动，步进电机同时控制基底XY向移动，并通过CCD监控使得多个微电极和阴极基底之间的初始间隙保持一致，实现三维微结构的快速批量制备。

2.一种批量制备大纵横比三维微结构的系统，其特征在于包括计算机、XY向步进移动平台、Z向步进电机、CCD监控系统、三维微结构批量制备核心单元、电源及控制电路；计算机分别与XY向步进移动平台、Z向步进电机、CCD监控系统相连接，三维微结构批量制备核心单元分别与电源及控制电路、XY向步进移动平台、Z向步进电机、CCD监控系统相连接；三维微结构批量制备核心单元包括阳极微电极（1）、防震平台（2）、XY向步进平移台（3）、电解液池（4）、阴极基底（5）、硫酸铜和硫酸的混合溶液（6）、直流电源（7）、限流电阻（8）、滑动变阻器（9）、Z向步进电机（10）；在防震平台（2）上设有XY向步进平移台（3）、直流电源（7）、Z向步进电机（10），在XY向步进平移台（3）上设有电解液池（4），在电解液池（4）底部固定有阴极基底（5），在电解液池（4）内部充满硫酸铜和硫酸的混合溶液（6），在Z向步进电机（10）上固定有阳极微电极（1）。

3.根据权利要求２所述的一种批量制备大纵横比三维微结构的系统，其特征在于所述的阳极微电极（1）包括第一玻璃毛细管（11）、第一Pt-Ir丝（12）、第二玻璃毛细管（13）、第二Pt-Ir丝（14）、第三玻璃毛细管（15）、第三Pt-Ir丝（16）；第一玻璃毛细管（11）内插有第一Pt-Ir丝（12），第二玻璃毛细管（13）内插有第二Pt-Ir丝（14），第三玻璃毛细管（15）内插有第三Pt-Ir丝（16），第一Pt-Ir丝（12）、第二Pt-Ir丝（14）、第三Pt-Ir丝（16）的一端相连。