CN102581460A - 一种纳米尺度的电阻点焊装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接和材料纳米加工领域，具体涉及一种纳米尺度的电阻点焊装置和方法。该装置包括高倍光学显微镜、扫描探针显微镜、焊接控制电源以及焊接连线，其中高倍光学显微镜用于对被加工工件的待焊接部位的初步定位和对焊接过程的实时观察，焊接控制电源用于提供焊接时所需电源；扫描探针显微镜用于对被加工工件待焊接部位的精确定位和焊接，包括可导电的扫描探针、控制及反馈连线、控制及反馈模块；扫描探针能够在精确定位和焊接两种模式下工作，并分别与控制及反馈模块和焊接控制电源连接。本装置和方法能够实现纳米尺度的电阻点焊，对于新型微纳米器件的设计和制造具有重要意义。

Description

一种纳米尺度的电阻点焊装置和方法

技术领域

本发明属于焊接和材料纳米加工领域，具体涉及一种纳米尺度的电阻点焊装置和方法。

背景技术

微纳米技术已被越来越广泛地应用于人们的日常生活中。传统的微纳米元器件的加工方法，如光刻技术，采用的是一种自上而下的加工方法，其基本原理是通过光化学反应使光罩上的外形结构转移到基质表面上，通过在基质上涂布光刻胶、曝光、显影、刻蚀、去胶等步骤得到微纳米结构。该方法步骤繁多、操作复杂，而且基本只适用于平面微纳米结构的制备。对于具有三维结构的微纳米结构，光刻制备方法一般采取逐层叠加的方法，即先经过上述描述的光刻步骤制备得到第一层微纳米结构，然后涂布第二层基质材料并进行第二次光刻操作得到第二层结构，如此重复直至得到最后的三维结构。可见，逐层叠加的光刻方法对于结构复杂的三维微纳米结构的设计与生产较为不易。

因此，另外一种自下而上的纳米结构组装方法越来越多地得到人们的应用。该方法直接对微纳米量级的点、线等基本结构进行三维的操控和组装已得到所需的复杂结构。比如中国专利CN 201010278161.9中所述的方法，其原理是利用扫描隧道显微镜探针针尖与纳米线之间的静电吸引力对纳米线进行操纵并组成一定的三维结构。然而该种方法所得到的纳米线之间的连接仅仅依靠分子间接触时的弱引力实现，所以连接强度并不可靠。

另一方面，由于微纳米器件集成度较高，在生产和使用过程中一旦出现局部的缺陷或者损坏将导致整个元器件的报废。比较常见的损坏方式包括连接点脱落、金属导线的断开等等，目前尚未有有效的方法进行修复。

发明内容

本发明的任务在于针对目前微纳米加工设备和方法存在的上述问题，提供一种纳米尺度的电阻点焊装置和方法。采用这种装置和方法，能够实现对微纳米器件的纳米尺度的电阻点焊、组装和局部修复。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种纳米尺度的电阻点焊装置，包括高倍光学显微镜、扫描探针显微镜、焊接控制电源以及焊接连线，其中，所述高倍光学显微镜用于对被加工工件的待焊接部位的初步定位和对焊接过程的实时观察，所述焊接控制电源用于提供焊接时所需电源，所述扫描探针显微镜用于对被加工工件待焊接部位的精确定位和焊接，包括可导电的扫描探针、控制及反馈连线、控制及反馈模块；扫描探针用于精确定位时，扫描探针、被加工工件分别通过控制及反馈连线与控制及反馈模块相连接，同时扫描探针、被加工工件与焊接控制电源之间的连接断开；扫描探针用于焊接时，扫描探针、被加工工件分别通过焊接连线连接到焊接控制电源的正负两极，扫描探针与被加工工件的待焊接部位相接触，同时扫描探针、被加工工件与控制及反馈模块之间的连接断开。

高倍光学显微镜可以对待焊接部位的大致区域进行快速定位，也可对焊接过程进行实时观察。其主要部件包括放大物镜、变倍模组和CCD摄像头。整个高倍显微镜以一定的角度倾斜放置，以便同时观察到扫描探针针尖和微纳米结构中的被焊接部分，其整体可以沿XYZ空间三个方向移动。根据不同的放大需求，放大物镜一般可以选取10~100倍的放大倍数。变倍模组的放大倍数可调，并且两端可以各自附加一个透镜以增加额外的放大倍数。以一个1：4变倍模组为例，当上下两端各附加一个75mm焦距和15mm焦距的透镜后，整个变倍模组的放大倍数为5~20倍可调。高倍光学显微镜的放大倍数为放大物镜放大倍数与变倍模组放大倍数的乘积，可达1000~1500倍之间。经放大物镜和变倍模组两级放大后的图像由CCD摄像头成像后显示，用以观察扫描探针针尖和被加工工件表面的相对位置，也可以对焊接过程进行实时观察。

扫描探针显微镜主要用于对待焊接部位的扫描成像和精确定位，其探针也可用作焊接模式下的一个电极。当用于精确定位时，扫描探针、被加工工件同扫描探针显微镜控制及反馈模块相连；而当用于焊接模式时，扫描探针、被加工工件同焊接控制电源相连。整个装置在两种不同模式时的电路与控制连线相互独立、互不影响，并且两种模式之间可以迅速切换。

焊接过程通过扫描探针和被加工工件之间接触导电产生的焦耳热量实现。根据电阻焊接的特点，扫描探针和被加工物体表面必须具有一定的导电性。在焊接模式下，两者分别与焊接控制电源的正负两级相连。该电源可以在恒电压、恒电流或恒功率模式下工作，并实时反馈焊接时候的电压和电流值。其工作电压在0~10V之间可控，电流在0~100mA之间可控，电流和电压最小有效控制时间为5ns。控制焊接时候的电压、电流、功率以及焊接时间，可以有效的控制焊接区域的大小。

该装置中的扫描探针可以是单根探针，或者是多根探针。用于扫描成像定位和电阻点焊两种模式下的探针可以是同种材料或者是不同材料。用于电阻点焊时的探针材料为熔点相对较高的金属或合金，比如钨。

本发明提出纳米尺度的电阻点焊方法，包含以下步骤：

第一步，设定高倍光学显微镜的放大倍数，一般为1000倍左右，并以其为辅助，快速地将被加工工件待焊接部位的大致区域进行定位，并将该区域置于扫描探针的下方。此时，被加工工件固定于载物台上。

第二步，断开焊接控制电源同扫描探针、被加工工件的连接，切换到扫描探针显微镜的控制及反馈模块同扫描探针、被加工工件的连接状态。

第三步，利用扫描探针显微镜扫描成像功能对被加工工件的待焊接部位精确定位，并将扫描探针的针尖移至刚好与待焊接部位接触的位置。

第四步，保持扫描探针与待焊接部位的接触状态，并迅速断开两者与扫描探针显微镜的控制及反馈模块的连接，然后切换到与焊接控制电源的连接状态，实施电阻点焊。

第五步，重复第二步到第四步的的过程，进行下一个焊点的焊接，直至完成全部焊接。

上述第四步中，迅速断开两者与扫描探针显微镜的控制及反馈模块的连接并切换到与焊接控制电源的连接状态的时间可以是1~2s。

本发明的有益效果为：本发明提出的纳米尺度的电阻点焊装置和方法，利用扫描探针显微镜的扫描探针针尖的可控放电进行纳米尺度的焊接。焊接部位的尺寸可以通过调节焊接时候的电流、电压及其时间进行控制。本装置和方法利用纳米范围内的焦耳热能，对微纳米器件中三维复杂结构中的连接部位进行熔化并达到冶金结合的目的，也可用于对微纳米结构中的损坏部位进行局部修复。本装置和方法无须在高洁净环境中操作，操作简单，成本低廉，适用于所有导电材料或者表面导电的纳米结构的部件的焊接制造或者修复，对于新型微纳米器件的设计和制造具有重要意义。

 

附图说明

 图1为纳米尺度的电阻点焊装置原理图。

 图2为微纳米结构中悬臂梁电阻点焊示意图。

上述两图中：1为 XYZ方向动作模块，2为扫描探针，3为 CCD摄像头，4为变倍模组，5为放大物镜，6为被加工工件，7为载物台，8为扫描探针显微镜的控制及反馈连线，9为扫描探针显微镜的控制及反馈模块，10为焊接控制电源，11为焊接连线，12为微纳米悬臂梁。

 

具体实施方式

以下结合具体的实施例和附图对本发明作进一步详细描述。

图1给出了纳米尺度的电阻点焊装置原理图。根据图1，纳米尺度的电阻点焊装置由扫描探针2、CCD摄像头3、变倍模组4、放大物镜5、扫描探针显微镜的控制及反馈连线8、扫描探针显微镜的控制和反馈模块9、焊接控制电源10和焊接电源导线11组成。XYZ方向动作模块1移动扫描探针2，被加工工件6固定在载物台7上。

图2给出了一个微纳米架构中悬臂梁点焊的示例。根据图2所示，被加工工件6为具有一定纳米结构突起的硅基底，其表层均匀镀有100nm金薄膜。微纳米悬臂梁12的材料也为金，焊接目的是要将微纳米悬臂梁12熔接在突起的硅基底上。

扫描探针2的材料为金属钨。高倍光学显微镜的放大物镜5为50x倍放大。变倍模组4具有四倍变倍功能，其附加的两块透镜分别为75mm和15mm。因此变倍模组4的放大倍数在5~20倍之间可调，光学显微镜的最终放大倍数为250~1000倍可调。

本实施例中，进行实际操作时，首先调节光学显微镜的放大倍数到1000倍，并用其找到被加工工件6中需要焊接的大致区域，将该区域移至扫描探针2的下方。此时，被加工工件6固定在载物台7上。然后断开焊接控制电源10同扫描探针2、被加工工件6的连接，切换到扫描探针显微镜控制及反馈模块9同扫描探针2、被加工工件6的连接状态。开启扫描成像模式，对待焊部位进行精确定位，并将扫描探针2的针尖移至刚好与待焊接部位接触的位置。此时立刻断开扫描探针2、待焊接部位与扫描探针显微镜的控制及反馈模块9的连接，然后切换到与焊接控制电源10的连接状态，实施电阻点焊。焊接采用恒电流模式，电流20mA，焊接时间5s。焊接完成后将扫描探针2、被加工工件6切换回与扫描探针显微镜的控制及反馈模块9相连的状态，并将扫描探针2升高至1微米左右的相对高度，等待移动到下一个焊点的指令以进行下一次点焊操作。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例和附图并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (10)

1.一种纳米尺度的电阻点焊装置，其特征在于：包括高倍光学显微镜、扫描探针显微镜、焊接控制电源以及焊接连线，其中，

所述高倍光学显微镜用于对被加工工件的待焊接部位的初步定位和对焊接过程的实时观察；

所述焊接控制电源用于提供焊接时所需电源；

所述扫描探针显微镜用于对被加工工件待焊接部位的精确定位和焊接，包括可导电的扫描探针、控制及反馈连线、控制及反馈模块；

扫描探针用于精确定位时，扫描探针、被加工工件分别通过控制及反馈连线与控制及反馈模块相连接，同时扫描探针、被加工工件与焊接控制电源之间的连接断开；

扫描探针用于焊接时，扫描探针、被加工工件分别通过焊接连线连接到焊接控制电源的正负两极，扫描探针与被加工工件的待焊接部位相接触，同时扫描探针、被加工工件与控制及反馈模块之间的连接断开。

2.根据权利要求1所述的纳米尺度的电阻点焊装置，其特征在于：所述焊接控制电源可以工作在恒电压或恒电流或恒功率模式下，并能实时反馈焊接时的电压和电流值，其工作电压在0~10V之间，电流在0~100mA之间，电流和电压最小有效控制时间为5ns。

3.根据权利要求1所述的纳米尺度的电阻点焊装置，其特征在于：所述扫描探针可以为单根也可以为多根。

4.根据权利要求3所述的纳米尺度的电阻点焊装置，其特征在于：所述扫描探针由钨制成。

5.根据权利要求1至4任一所述的纳米尺度的电阻点焊装置，其特征在于：所述高倍光学显微镜包括放大物镜、变倍模组和CCD摄像头，放大物镜通过变倍模组与CCD摄像头连接，变倍模组的放大倍数可调节。

6.根据权利要求5所述的纳米尺度的电阻点焊装置，其特征在于：所述放大物镜的放大倍数在10~100倍之间。

7.根据权利要求5所述的纳米尺度的电阻点焊装置，其特征在于：所述变倍模组的上下两端还各有一个透镜。

8.根据权利要求5所述的纳米尺度的电阻点焊装置，其特征在于：所述高倍光学显微镜的放大倍数在1000~1500倍之间可调。

9.一种采用权利要求1至8任一所述的纳米尺度的电阻点焊装置进行纳米尺度的电阻点焊方法，包含以下步骤：

第一步，用高倍光学显微镜对被加工工件的待焊接部位进行初步定位，并将被加工工件的待焊接部位区域置于扫描探针的下方；

第二步，断开焊接控制电源同扫描探针、被加工工件的连接，切换到扫描探针显微镜的控制及反馈模块同扫描探针、被加工工件的连接状态；

第三步，利用扫描探针显微镜扫描成像功能对被加工工件的待焊接部位进行精确定位，并将扫描探针的针尖移至被加工工件的待焊接部位位置并接触；

第四步，保持扫描探针与被加工工件的待焊接部位的接触状态，并断开扫描探针、被加工工件与扫描探针显微镜的控制及反馈模块的连接，然后切换到与焊接控制电源的连接状态，进行电阻点焊；

第五步，重复第二步到第四步的的过程，进行下一个焊点的焊接，直至完成全部焊接。

10.根据权利要求9所述的纳米尺度的电阻点焊方法，其特征在于：第四步中，断开扫描探针、被加工工件与扫描探针显微镜的控制及反馈模块的连接并切换到与焊接控制电源的连接状态的时间为1~2s。

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