CN103252541A

CN103252541A - 大长径比纳米级轴制备装置及方法

Info

Publication number: CN103252541A
Application number: CN2013101622303A
Authority: CN
Inventors: 曾永彬; 王玉峰; 曲宁松; 朱荻
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-05-06
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2013-08-21

Abstract

一种大长径比纳米级轴制备装置及方法,属精密微细电化学加工领域。该装置包括安装于X-Y轴移动平台（1）的定位件（8），固定于定位件（8）的阴极夹具（11），通过阴极夹具（11）夹持的阴极水平圆环（7），还包括安装于Z轴精密位移平台（2）的旋转主轴夹具（4），固定于旋转主轴夹具（4）的引电装置（6），固定于旋转主轴夹具（4）的旋转主轴（3），上述电源(15)正负级分别与引电装置（6）和阴极夹具（11）相连。本发明方法及装置能够加工出具有大长径比的纳米级细长轴，并且具有可重复性强，成功率高和成本较低等优点。

Description

大长径比纳米级轴制备装置及方法

技术领域

本发明涉及一种大长径比纳米级轴制备装置及方法，属精密微细电化学加工领域。

背景技术

随着各种精密、微细技术和微机电系统（MEMS）的发展，微米级以及纳米级细长轴的制备方法正变得日益重要。大长径比微米级以及纳米级轴可广泛应用于各种微细加工技术、微测量技术、航空宇航技术和生物医学等前沿技术。目前，微米级大长径比细长轴的主要制备方法为单晶金刚石微车削技术、线电极磨削技术（WEDG）、浸液电化学加工（ECM）方法、单脉冲放电加工（OPED）和聚焦离子束（FIB）等技术。而对于纳米级细长轴的制备方法，目前主要以FIB技术为主，其他方法还很难做到。但是FIB工艺必须在真空环境下才能正常进行，而且其工艺较复杂，设备较昂贵，限制了FIB的广泛应用。如何制备出微米级及纳米级大长径比细长轴已成为目前的研究热点和难点之一。纳米级细长轴的成功制备将进一步提高目前各种微细制造技术的加工精度和微测量技术的测量精度，并进一步促进生物医学技术等维纳尺度研究的发展。

电化学加工技术是基于阳极溶解原理的减材制造工艺，加工过程以离子的形式进行，由于金属离子的尺寸非常微小，小于纳米尺度，因此微细电化学加工方法相对于其它很多微细加工方法在原理上具有优势。利用浸液电化学加工方法，通过控制制备工艺过程中的各种参数已成功制备出长径比达200的微米级细长轴。此外，液膜电化学刻蚀技术应用于制备纳米级针尖，最小针尖直径可达几纳米，已成功应用于扫描隧道显微镜（STM）的扫描探针和纳米级结构的电化学刻蚀。

液膜电化学加工方法是由法国学者（Sophie Kerfriden, Ayssar H., et al., Electrochimica Acta, 43,1939-44(1998).）提出的，采用一个由0.4mm直径的铂丝圈成的圆环作为阴极，0.25mm直径的钨丝作为阳极，碱性溶液作为电解液进行STM探针的电化学刻蚀加工。现有方法采用设备比较简陋，只能加工纳米级的针尖（点），无法制备大长径比的纳米级轴。此外，对于阴极圆环采用的铂丝价格较高，不利于成本的降低。目前，对于液膜电化学刻蚀的方法的研究还处于初级阶段，还缺乏系统的研究和专门针对于本工艺方法的装置、夹具，限制了这种工艺的可重复性和对其规律的进一步研究。

发明内容

本文发明的目的在于提供一种基于液膜电化学刻蚀加工技术的大长径比纳米级细长轴的制备工艺及其装置，这种工艺方法具有可重复性强，成功率高而且成本较低的特点。

一种大长径比纳米级轴制备装置，其特征在于：包括PCI运动控制卡、计算机、电源；还包括主动隔振平台、安装于主动隔振平台的X-Y轴直线精密移动平台、安装于X-Y轴直线精密移动平台的定位件，固定于定位件的阴极夹具，通过阴极夹具夹持的阴极水平圆环，还包括通过床身安装于主动隔振平台的Z轴直线精密移动平台，安装于Z轴直线精密移动平台的旋转主轴夹具，固定于旋转主轴夹具的引电装置，固定于旋转主轴夹具的旋转主轴，上述电源的正负级分别与引电装置和阴极夹具相连。

利用所述大长径比纳米级轴制备装置的大长径比纳米级轴制备方法，其特征在于包括以下过程：

（1）、用吸管将电解液溶液滴于阴极水平圆环上，在液体表面张力的作用下，溶液附着在阴极水平圆环上形成液膜；

（2）、将阳极钨丝固定在旋转主轴下端；

（3）、通过X-Y轴直线精密移动平台、Z轴直线精密移动平台的精密移动，使阳极钨丝伸入到阴极水平圆环中，且钨丝轴线位于阴极水平圆环中心位置；

（4）、在加工过程中，阳极钨丝与阴极水平圆环之间施加直流电源，在加工过程中保持电源电压不变；

（5）、通过控制Z轴直线精密移动平台的移动，使阳极钨丝在轴向上做具有一定幅值和速度的直线往复运动；其中幅值为0.1~0.4mm和速度为0.1~2μm/s；

（6）、当钨丝的直径减小到无法承受下端钨丝重力以及液面张力的合力时，钨丝会被拉断掉入工具电极接收装置中之后，下端钨丝会自动停止电化学刻蚀，加工过程自动结束，下端掉落到工具电极接收装置中的电极作为所制备的大长径比纳米级轴。

针对现有工艺方法的局限性，即只能制备纳米级针尖（点），限制了液膜电化学刻蚀加工方法的应用范围。本专利通过施加的直线往复运动，使阳极钨丝在运动幅值内的每一点的加工速度做一定的同种方式的周期性改变，即在一个运动周期内，运动幅值内各个点的刻蚀加工基本保持一致，从而加工出长径比可控的纳米级细长轴；当钨丝直径减小到一定数值时，钨丝由于受到位于水平圆环下端的部分因重力及液面张力的作用而被拉断，钨丝下端掉落到特定的接收装置中，下端作为所制备的大长径比纳米级轴。下端掉落瞬间，对于下端的电化学刻蚀加工随即结束，防止由于断电不及时所引起的所制备工具电极由于过度电化学刻蚀降低所制备工具电极的质量，从而在本工艺的实施中不需要能够快速响应的开关，大大的简化了工艺。采用此种工艺方法及装置能够加工出具有大长径比的纳米级细长轴，并且具有可重复性强，成功率高和成本较低等优点。

附图说明

图1是大长径比纳米级细长轴加工装置整体结构示意图；

图2是液膜法电解加工大长径比纳米级细长轴的原理示意图；

图3是圆环装夹工具结构示意图；

图中标号名称：1、X-Y轴直线精密移动平台，2、Z轴直线精密移动平台，3、旋转主轴，4、旋转主轴夹具，5、PCI运动控制卡，6、引电装置，7、阴极水平圆环，8、定位件，9、阳极钨丝，10，阴极夹具固定螺钉，11、阴极夹具，12、纳米轴接收装置，13、主动隔振平台，14、计算机，15、电源，16、液膜，17、电流传感器，18、圆环装夹铜棒19、阴极圆环夹具主体。

具体实施方式

根据图1所示，本发明的大长径比纳米级细长轴液膜法电化学刻蚀加工装置，如图1所示，其装置包括主动隔振平台13、X-Y轴移动平台1、Z轴精密位移平台2、计算机14、PCI运动控制卡5、旋转主轴3、引电装置6、定位件8、直流电源15、阴极水平圆环7。其特点是所述的工艺过程，装夹在旋转主轴3上的阳极钨丝通过Z轴直线精密移动平台2获得所需要的在Z轴方向的直线往复运动。阴极水平圆环7通过阴极夹具11和阴极夹具固定螺钉10固定在定位件8中，保证圆环面在水平方向。需要说明的是，在圆环固定在定位件8之前，需要将圆环放入溶液中以形成所需要的液膜。

图2所示为大长径比纳米级细长轴制备工艺原理示意图。首先，将电解液用滴管滴在阴极水平圆环7中以形成液膜16后固定在定位件中，然后将直径为200μm的钨丝垂直穿过圆环，通过X-Y轴直线精密移动平台1的运动，使钨丝位于阴极水平圆环7的中心，并通过Z轴精密位移平台1的运动确定钨丝位于圆环下部的长度。最后在钨丝和圆环之间施加直流电源15。

图3所示的是阴极圆环的装夹工具示意图。用钨丝圈成的阴极水平圆环7连接到圆环装夹铜棒18中，铜棒可以插入阴极圆环夹具主体19的孔中。该夹具可以便捷的固定圆环，并具有很高的定位精度，便于拆卸、更换。

本发明专利“大长径比纳米级细长轴制备工艺”原理及过程：采用价格便宜、耐高温、硬度高、综合机械性能优良的钨丝作为阳极，用钨丝圈成的阴极水平圆环作为阴极，电解液为附着在阴极水平圆环上的液膜。当钨丝和阴极水平圆环之间施加直流电源时，基于电化学阳极溶解原理，阳极钨丝被刻蚀变细。在加工过程中，阳极钨丝在Z轴直线精密移动平台运动方向上做直线往复运动。直线往复运动的参数主要包括：运动幅值、运动速度和运动方向。在这种制备工艺过程中，电化学刻蚀区域不断地、周期性的变换，此外每一位置的电化学刻蚀速度也不断的发生周期性变化，经过若干加工时间后，在加工区域内的钨丝直径不断减小且直径趋于一致。在加工过程中，通过检测电流的变化可实现钨丝直径的预测。当直径减小至一定值时，通过控制Z轴直线精密移动平台的精密移动，可实现对所制备大长径比纳米级轴的长径比的控制。当钨丝的直径减小到无法承受下端钨丝重力以及液面张力的合力时，钨丝会被拉断掉入下端工具电极接收装置中。因此，当下端掉落后，电化学刻蚀会立即终止，防止所制备电极的直径钝化。

Claims

1.一种大长径比纳米级轴制备装置，其特征在于：包括PCI运动控制卡（5）、计算机（14）、电源（15）；还包括主动隔振平台（13）、安装于主动隔振平台（13）的X-Y轴移动平台（1）、安装于X-Y轴移动平台（1）的定位件（8），固定于定位件（8）的阴极夹具（11），通过阴极夹具（11）夹持的阴极水平圆环（7），还包括通过床身安装于主动隔振平台（13）的Z轴精密位移平台（2），安装于Z轴精密位移平台（2）的旋转主轴夹具（4），固定于旋转主轴夹具（4）的引电装置（6），固定于旋转主轴夹具（4）的旋转主轴（3），上述电源(15)正负级分别与引电装置（6）和阴极夹具（11）相连；上述定位件（8）上安装有纳米轴接收装置（12），纳米轴接收装置（12）位于阴极水平圆环（7）的下方。

2.根据权利要求1所述的大长径比纳米级轴制备装置，其特征在于：上述定位件（8）为电解槽。

3.利用权利要求1所述大长径比纳米级轴制备装置的大长径比纳米级轴制备方法，其特征在于包括以下过程：

（1）、用吸管将电解液溶液滴于阴极水平圆环（7）上，在液体表面张力的作用下，溶液附着在阴极水平圆环（7）上形成液膜(16)；

（2）、将阳极钨丝（9）固定在旋转主轴（3）下端；

（3）、通过X-Y轴移动平台（1）、Z轴精密位移平台（2）的精密移动，使阳极钨丝（9）伸入到阴极水平圆环（7）中，且位于阴极水平圆环（7）中心位置；

（4）、在加工过程中，阳极钨丝（9）与阴极水平圆环（7）之间施加直流电源，在加工过程中保持电源电压不变；

（5）、通过控制Z轴精密位移平台（2）的移动，使阳极钨丝在轴向上做具有一定幅值和速度的直线往复运动；其中幅值为0.1~0.4mm和速度为0.1~2μm/s；

（6）、当钨丝的直径减小到无法承受下端钨丝重力以及液面张力的合力时，钨丝会被拉断掉入纳米轴接收装置（12）中之后，下端钨丝会自动停止电化学刻蚀，加工过程自动结束，下端掉落到纳米轴接收装置（12）中的纳米轴作为所制备的大长径比纳米级轴。