CN102586854B - 一种高效率自动化钨针制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种钨针尖的自动化、高效直流控制动态制备装置及方法。装置利用电化学反应原理，通过直线电机带动钨丝在NaOH腐蚀液中上下往复运动，使得反应在阳极钨丝和阴极环形铜电极之间进行，并利用采样电阻、低通滤波电路、电压跟随器和高速比较器监控电路中电流的变化。当钨丝在电解质溶液中蚀断的瞬间，电路中电流的突变使得比较器输出信号变化，切断加压回路，结束整个电解腐蚀过程。装置还可以利用直线电机运动速度的变化调节钨针的锥度及尖端半径。该装置和方法的特点是钨针制备自动化程度高、重复性好、效率高。

Description

一种高效率自动化钨针制备装置及方法

技术领域：

本发明涉及纳米钨针制备领域，具体涉及一种利用自动控制思想和动态腐蚀制备纳米钨针的方法和装置。

背景技术：

钨针，作为一种常见的探针，广泛应用于纳米技术相关的领域，如扫描隧道显微镜、聚焦粒子束仪、纳米机械手探针等仪器中。尤其是在要求探针具有高硬度、高电导率的纳米测试领域，如纳米压痕、纳米线提取及性能测试等方面应用非常广泛。而钨针针尖的质量是决定扫描隧道显微镜、聚焦粒子束性能的主要因素之一。钨探针针尖的曲率半径越小、形状越对称，分辨率和图像的质量越高。近年来随着探针在更多领域如传感探针、绝缘探针的应用，对钨探针的形状也提出了要求。因此，减小曲率半径，提高制造效率，生产自动化，以及生成特定形状的钨针尖，是钨探针制造厂商的主要方向。

制备钨探针的主要方法有电化学腐蚀、场致蒸发法、机械剪切、阴极溅射等，其中电化学腐蚀法由于具有原理简单、设备要求低，生成的钨针尖曲率半径小的优点而应用最广。

利用电化学腐蚀原理进行钨针制备的常用方法，分为静态腐蚀和动态腐蚀两(The artof electrochemical etching for preparing tungsten probes with controllable tip profile andcharacteristic parameters，Bing-Feng Ju等，Rev.Sci.Instrum.，013707(2011))。静态腐蚀的方法，技术已经比较成熟(reproducible electrical etching of tungsten probe tips，OlivierL.Guise等，nano letters，2002：vol.2，No.3(191～193)；北京大学一种制备纳米钨探针针尖的方法：中国，200910236678.9.[p]2010-04-21；中国矿业大学一种高分辨率发射极钨针尖制备方法及其装置：中国，200810183181.0.[p]2010-05-05)。这些方法通过改变腐蚀电流、悬吊重物(Effects of process parameters on the electrochemical etching of sharp metallic tips withan attached mass，Pilkyu Kim，Rev.Sci.Instrum.，096105(2007))，可以实现钨针锥度、形状的基本控制，如直流电流可以形成双曲线状，交流可以实现圆锥体状，通过应用钨针尖直流制备电路(上海交通大学扫描隧道显微镜用钨针尖直流制备控制电路：中国，022181157.[p]2003-04-16))，及时关断电流，可以实现较小曲率半径钨针的制备。

动态腐蚀方法主要是利用压电陶瓷或直线步进电机，在腐蚀过程中缓慢提起钨针，配合界面反应控制钨针的长宽比和尖端半径(dynamic electrochemical-etching technique fortungsten tips suitable for multi-tip scanning tunneling microscopes，ReiHobara等，Surf.Sci.Nanotech，Vol.5(2007)94-98；The art of electrochemical etching for preparing tungstenprobes with controllable tip profile and characteristic parameters，Bing-Feng Ju等，Rev.Sci.Instrum.，013707(2011))

对于静态腐蚀，钨针与阴极均保持静止，钨针插入电解液中时，溶液的表面张力形成的弯液面会对腐蚀造成影响，难以实现钨针形状，腐蚀时间，腐蚀层次的控制；对于动态腐蚀，若采用压电陶瓷成本较高，而且由于钨针提起的速度非常慢，腐蚀速度慢，腐蚀效率不是很高；若采用人工操作，因钨针提起速度的不均匀，钨针位置不能系统控制，会影响钨针的宏观外形，导致生产效率不高。

发明内容：

本发明的目的在于基于自动控制思想提出一种新型的钨针动态腐蚀方法。

本发明的另一目的在于基于以上动态腐蚀思想和方法提出一种高效率自动化钨针制备装置。

本发明所述的钨针动态腐蚀制备装置包括固定基座、定位系统、控制系统和腐蚀溶液四大部分。固定基座为U形固定架，由钢架组成。定位系统：由两相混合式直线步进电机、步进电机驱动器DM402A、钨针夹具组成。直线步进电机为两相混合式将直线步进电机导轨固定在钢架上，钨针夹持装置通过螺丝钉固定在步进电机上，钨针则夹持于夹具内。控制系统：由单片机(80C51)、电流监控反馈电路、电压切断电路构成。其中单片机控制电机上下往复运动，电流监控反馈电路由采样电阻(2Ω)、RC低通滤波电路(R＝10kΩ)、电压跟随器构成，电压切断电路则由高速电压比较器(AD827)、快速继电器及继电器驱动芯片(MC1416P)构成，目的是在电流降低到阈值以下后迅速切断钨针的电压。腐蚀溶液：NaOH溶液，盛于烧杯中，电化学腐蚀的阳极悬空并浸入溶液，为直径7mm的圆柱形(圆柱高6mm)铜环。

本发明所述的高效率自动化钨针动态腐蚀方法，包括以下步骤：

1)配制一定浓度NaOH溶液100mL，完成后倒入装有圆柱形铜环电极的烧杯中，铜环部分浸入溶液中；

2)取一段钨丝，利用电化学腐蚀的方法去除表面氧化层，然后经无水乙醇和去离子水清洗后剪取一小段夹持于钨针夹具中，并移动夹具的位置使得钨丝经铜圆环电极中心垂直浸入溶液中；

3)按照对钨针半径和锥角的要求，调节步进电机驱动器并为单片机烧写相应程序，调节电源电压开始自动腐蚀过程，直至电流降到阈值，电压切断且钨针移出溶液表面，结束腐蚀过程；

4)用无水乙醇、去离子水清洗钨针后保存于样品盒中。

本发明的有益效果是：将使得钨针腐蚀过程自动化程度提高、钨针腐蚀效率大大提高，钨针腐蚀成本较低，便于工业化生产。

附图说明：

图1是本发明系统详细结构图。

图2是SEM下观察到的纳米钨针尖。

图3为系统的硬件电路结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做详细描述。

如图1所示，本发明所述的钨针动态腐蚀制备装置包括固定基座、定位系统、控制系统和腐蚀溶液四大部分。固定基座为U形固定架，由钢架组成。定位系统：由两相混合式直线步进电机、步进电机驱动器DM402A、钨针夹具组成。直线步进电机为两相混合式将直线步进电机导轨固定在钢架上，钨针夹持装置通过螺丝钉固定在步进电机上，钨针则夹持于夹具内。控制系统：由单片机(80C51)、电流监控反馈电路、电压切断电路构成。其中单片机控制电机上下往复运动，电流监控反馈电路由采样电阻(2Ω)、RC低通滤波电路(R＝10kΩ)、电压跟随器构成，电压切断电路则由高速电压比较器(AD827)、快速继电器及继电器驱动芯片(MC1416P)构成，目的是在电流降低到阈值以下后迅速切断钨针的电压。腐蚀溶液：NaOH溶液，盛于烧杯中，电化学腐蚀的阳极悬空并浸入溶液，为直径7mm的圆柱形(圆柱高6mm)铜环。

本发明的自动化钨针制备方法如下：

1)取一段钨丝，直径0.5mm，长度约80mm，利用电化学腐蚀的方法去除表面氧化层；

2)退火过程完毕后，用无水乙醇对钨丝进行超声清洗3min，再用去离子水清洗1min，放于通风处晾干；

3)配制NaOH溶液100mL，浓度为2.5mol/L。倒入烧杯中，使得圆柱形铜圆环电极浸入溶液5mm；

4)将钨丝夹持于自制的钨针夹具中，调节其高度，使其垂直经圆环电极中心浸入溶液，浸入深度为约2mm；

5)根据对钨针参数的要求，调节步进电机驱动器的细分数，以调节直线步进电机上下往复运动的速度。图2中所示钨针是在步进电机驱动器细分数为8(即速度为无细分方式下1/8)时最终钨针的SEM图像。故如需钨针尖端长度更长、钨针锥角更小，则需要调节步进电机细分数更大；如步进电机驱动器具有8种细分方式：1，2，4，8，16，32，64，128，分别对应了电机在无细分下运动速度的1， 倍；电机运动速度的不同决定了动态腐蚀过程中电机上下往复运动的次数，并决定了纳米钨针尖的长度和锥度。

6)根据步骤5)中对电机细分数的调节，在单片机程序中调整第一步粗腐蚀(腐蚀电流最大值为600mA)时电机上下往复运动的次数，以防止在电流值较大时钨针前端即断裂。使钨针出现“成颈(Neck-in)”现象，并使“颈部”最小半径达到“精腐蚀”要求。在图2所示电机驱动器细分数为8时，第一步粗腐蚀时上下往复运动的次数为3次。建议驱动器细分数为16或32时，第一步粗腐蚀时往复运动次数设为2次，64细分及128细分时往复运动次数设为1次。第二步在电流为100mA下进行，称为“精腐蚀”过程，电机带动钨丝以特定速度上下往复运动，直到钨针前端部分断裂；精腐蚀程序则以电流监控电路动作时刻为终点，无须限定其腐蚀次数；

7)调节电源电压为12V，对单片机上电，整个装置开始自动腐蚀过程。

8)当精腐蚀即将结束，钨针前端断裂的瞬间，电流监控电路将分别给快速继电器驱动芯片和单片机一个触发信号，依次称为触发信号1和触发信号2；触发信号1使得继电器动作，切断电压；触发信号2则使得单片机控制钨针撤出溶液，完成整个腐蚀过程。

9)腐蚀完成后，从夹具中取出钨针先经无水乙醇超声清洗1min，再经去离子水超声清洗30s后，放于通风处晾干后装入样品盒中。

Claims (5)

1.一种自动化纳米钨针制备方法，其特征在于，该制备方法基于一种纳米钨针制备装置，该装置包括：

1)固定基座：由U形钢架构成；

2)定位系统：包括直线步进电机、步进电机驱动器和钨针夹具；直线步进电机固定在钢架上，钨针夹具固定在步进电机上，制备钨针的钨丝夹持于夹具内；

3)控制系统：由单片机、电流监控反馈电路、电压切断电路构成；其中单片机控制电机上下往复运动；电流监控反馈电路由采样电阻、RC滤波器、高速电压比较器构成；电压切断电路由快速继电器及继电器驱动芯片构成，在电流降低到阈值以下后通过电压切断电路迅速切断所述钨丝的电压；

4)电解质溶液：NaOH溶液；

5)圆柱形铜圆环电极：悬空并浸入所述电解质溶液，制备钨针的钨丝垂直经圆环电极中心浸入所述电解质溶液；

基于上述装置的自动化纳米钨针制备方法包括以下步骤：

1)配制一定浓度NaOH溶液100mL，完成后倒入装有圆柱形铜环电极的烧杯中，铜环部分浸入溶液中；

2)取一段直径为0.5mm的钨丝，利用电化学腐蚀的方法去除表面氧化层，然后经无水乙醇和去离子水清洗后剪取一小段夹持于钨针夹具中，并移动夹具的位置使得钨丝经铜圆环电极中心垂直浸入溶液中；

3)按照对钨针半径和锥角的要求，通过单片机控制直线步进电机调节钨丝的浸入溶液的深度，调节施加在钨丝上的电源电压至12V，整个装置开始自动腐蚀过程，直至检测到钨丝的电流降到阈值，则电压切断且钨针移出溶液表面，结束腐蚀过程；

4)用无水乙醇、去离子水清洗钨针后保存于样品盒中；

步骤1)中，NaOH溶液浓度为2.5mol/L，NaOH颗粒10g，去离子水100mL；圆柱形铜圆环电极高度为8mm，直径为7mm，浸入溶液中的深度约为5mm；

步骤3)中，腐蚀过程分为两步完成：第一步在电流为600mA下进行，称为粗腐蚀过程，使钨针出现成颈现象，并使颈部最小半径达到精腐蚀要求；第二步在电流为100mA下进行，称为精腐蚀过程，电机带动钨丝以特定速度上下往复运动，直到钨针前端部分断裂；

当精腐蚀即将结束，钨丝前端断裂的瞬间，电流监控电路检测到钨丝电流突降到阈值，将分别给快速继电器驱动芯片和单片机一个触发信号，依次称为触发信号1和触发信号2；触发信号1使得继电器动作，切断电压；触发信号2使单片机控制钨针撤出溶液，完成整个腐蚀过程。

2.如权利要求1所述的自动化纳米钨针制备方法，其特征在于：步骤2)中，去除氧化层过程是利用20V电压将钨丝整个放入烧杯中2min完成的，另一电极为条形铜电极。

3.如权利要求1所述的自动化纳米钨针制备方法，其特征在于：步骤2)中，无水乙醇清洗1min，去离子水清洗30s，钨丝浸入溶液深度为2mm。

4.如权利要求1所述的自动化纳米钨针制备方法，其特征在于：步骤3)中，步进电机驱动器具有8种细分方式：1，2，4，8，16，32，64，128，分别对应了电机在无细分下运动速度的1，倍。

5.如权利要求1所述的自动化纳米钨针制备方法，其特征在于步骤4)中，从溶液中取出的钨针经无水乙醇超声清洗1min，再经去离子水超声清洗30s后，放于通风处晾干后装入样品盒中。