CN110016696B - 一种基于光致导电电极板的微电铸装置及其微电铸方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光致导电电极板的微电铸装置，包括供电电源、与所述供电电源电连接的第一电极板、与所述供电电源电连接的第二电极板、位于所述第二电极板表面靠近所述第一电极板一侧的光致导电层、用于实现电铸反应的电铸液以及用于照射所述第二电极板的光源。相应的，本发明还提供基于微电铸装置的微电铸方法。本发明提供的基于光致导电电极板的微电铸装置，利用光致导电层受光照导电的特性，通过控制光源的形状及面积来控制电铸呈的面积及形状，省去了传统电铸加工的掩膜的制作，简化了加工过程，节约了生产成本。

Description

一种基于光致导电电极板的微电铸装置及其微电铸方法

技术领域

本发明涉及一种光致导电微电铸技术领域，具体地，涉及一种基于光致导电电极板的微电铸装置及其微电铸方法。

背景技术

随着MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术的广泛研究与发展，在继承传统电铸工艺技术特点的基础上，形成了一种非硅基微结构加工的重要技术——微电铸工艺。微电铸技术与传统电铸技术有着相同的工作原理和相似的工艺过程，但该技术用于制作微器件或者微结构，更多涉及的是微米级尺度问题，与传统大器件电铸有着显著的差别，且对于环境干扰有着较强的响应，广泛应用于航空、航天、精密机械、塑料模具、微电子等领域。

现有的微电铸工艺主要有X光光刻技术、Over-plating电铸和Ni-PTFE复合电铸三种，其中X光光刻技术需要同步辐射光，深X射线光刻的成本很高，而且不易实现；由于微结构尺寸小且大高宽比，使得电铸要求非常严格，高精度高质量电铸微结构难以获得，并且X光光刻电铸加工过程繁琐，操作复杂。

Over-plating微电铸加工微结构时电铸部分的交接处会出现不同情况的瑕疵，而且瑕疵会随着电铸结构的间距/线宽比的增加显著增大，另外当电铸高深宽比的复杂零件，槽侧壁对槽底会起到一定的屏蔽作用，导致槽底电力线相对稀薄，沉积层厚度较薄。随着电铸过程的推进，金属沉积层的不均匀分布使深槽的形状趋于口小地大的葫芦状。

Ni-PTFE复合微电铸依然是基于X光光刻技术的电铸方法，因此电铸微结构的时候依然需要掩模辅助加工；此外该方法必须对电铸液进行一系列的处理来保证电铸的正常的进行，因此电铸过程繁琐。

另一方面，上述电铸方法，通常为了提高电铸精度，一般会采用精密高频脉冲电源进行加工，电源复杂，成本高昂。

基于上述微电铸方法的种种不足之处，有必要提出一种新型电铸装置，解决以上问题。

本发明提出一种基于光致导电电极板的微电铸装置及其微电铸方法，通过在电极板上设置光致导电层，实现了微电铸，简化了加工过程，减少了脉冲电源的制作，节约生产成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于光致导电电极板的微电铸装置及其微电铸方法，通过在电极板上设置光致导电层，实现了微电铸，简化了加工过程，减少了脉冲电源的制作，节约生产成本。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于光致导电电极板的微电铸装置，包括供电电源、与所述供电电源电连接的第一电极板、与所述供电电源电连接的第二电极板、位于所述第二电极板表面靠近所述第一电极板一侧的光致导电层、用于实现电铸反应的电铸液以及用于照射所述第二电极板的光源；

所述第二电极板为透明电极板，所述光源发出的光透过所述第二电极板照射在所述光致导电层的部分表面上，在所述光致导电层上形成绝缘区和导电区；

其中，所述绝缘区为所述光致导电层上未被所述光源照射到的区域，所述导电区为所述光致导电层上被所述光源照射到的区域；

通电后，电铸液中的金属离子被还原成金属原子，金属原子所述导电区的表面进行晶核的长大，形成微电铸结构。

优选地，所述光致导电层由金属光电材料或高分子光电材质制成。

优选地，所述光致导电层由硒、氧化锌或硫化镉制成。

优选地，所述第二电极板由导电玻璃或导电塑料制成。

优选地，所述光源为脉冲光源，所述供电电源为直流电源。

优选地，所述供电电源为脉冲电源。

优选地，所述第一电极板为阳极电极板；

所述第二电极板为阴极电极板。

一种基于所述的微电铸装置的微电铸方法，包括以下步骤：

S1、供电电源供电，在第一电极板与第二电极板之间形成电场；

S2、提供光源，所述光源为阵列排布的点光源，所述光源透过所述第二电极板照射在光致导电层上，在所述光致导电层上形成阵列排布的导电区；

S3、电铸液内部的金属离子被还原成金属原子，金属原子在所述导电区与电铸液的界面上沉积，实现晶核的生成和长大，形成阵列排布的柱状结构的电铸层；

其中，该柱状结构的电铸层的截面的形状及大小与所述点光源的形状及大小相同。

一种基于所述的微电铸装置的微电铸方法，包括以下步骤：

S1、供电电源供电，在第一电极板与第二电极板之间形成电场；

S2、光源透过所述第二电极板照射在光致导电层上，在光致导电层上形成面积为a1的第一导电区，此时，光源面积也为a1；

S3、电铸液内部的金属离子被还原成金属原子，金属原子在第一导电区与电铸液的界面上沉积，实现晶核的生成和长大，形成第一电铸层；

S4、增加光源面积为a2，在第一导电区的周围形成第二导电区，第二导电区的面积为a2-a1，电铸液内部的金属离子被还原成金属原子，金属原子在第一电铸层与电铸液的界面和第二导电区与电铸液的界面上沉积，实现晶核的生成和长大，形成第二电铸层，其中，a2大于a1；

重复步骤S4,直至形成预设的类金字塔结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的基于光致导电电极板的微电铸装置，利用光致导电层受光照导电的特性，通过控制光源的形状及面积来控制电铸呈的面积及形状，省去了传统电铸加工的掩膜的制作，简化了加工过程，节约了生产成本，另一方面，通过两个电极板产生电化学反应，使得电铸液中的金属离子被还原，实现电铸功能。

2、本发明提供的基于光致导电电极板的微电铸装置，采用成本低廉的直流电源和脉冲光源相互配合，实现了传统脉冲电源的效果，保证了电铸精度，且无须制作脉冲电源。

3、本发明提供的基于微电铸装置的微电铸方法，无须制作掩膜等步骤，直接通过光源的改变实现电铸结构的改变，工艺简单，操作精度高，生产成本低。

附图说明

图1为本发明基于光致导电电极板的微电铸装置的结构示意图；

图2为本发明基于所述微电铸装置的微电铸方法的实施例一的流程图；

图3为本发明基于所述微电铸装置的微电铸方法的实施例二的流程图；

图4为本发明基于所述微电铸装置的微电铸方法的实施例二的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种基于光致导电电极板的微电铸装置，包括供电电源1、与所述供电电源1电连接的第一电极板2、与所述供电电源1电连接的第二电极板3、位于所述第二电极板3表面靠近所述第一电极板2一侧的光致导电层4、用于实现电铸反应的电铸液5以及用于照射所述第二电极板3的光源6；

所述第二电极板3为透明电极板，所述光源6发出的光透过所述第二电极板3照射在所述光致导电层4的部分表面上，在所述光致导电层4上形成绝缘区41和导电区42；

其中，所述绝缘区41为所述光致导电层4上未被所述光源6照射到的区域，所述导电区42为所述光致导电层4上被所述光源6照射到的区域；

通电后，电铸液5中的金属离子被还原成金属原子，金属原子所述导电区42的表面进行晶核的长大，形成微电铸结构。

所述供电电源1用于给所述第一电极板2和第二电极板3提供电流，便于第一电极板2和第二电极板3在所述电铸液5内部进行电铸反应，实现电铸。所述供电电源1可以为脉冲电源，也可以为直流电源，本实施例中，所述供电电源1为直流电源，用于减少脉冲电源的制作，节约生产成本。

所述第一电极板2与所述供电电源1相连接，其与所述第二电极板3均位于所述电铸液5内部，便于相互配合，实现电铸反应。本实施例中，所述第一电极板2为阳极电极板。

所述第二电极板3与所述供电电源1相连接，其与所述第一电极板2相互配合，实现电铸反应。为了便于所述光源6发出的光能够顺利的照射到所述光致导电层4上，所述第二电极板3为透明电极板，具体的，所述第二电极板3由导电玻璃、导电塑料等透明导电材料制成。

此处，所述第一电极板2为阳极电极板，相应的，所述第二电极板3为阴极电极板，便于电铸反应过程中，电铸液5中的金属离子还原，并在光致导电层4的表面沉积金属，实现本发明的微电铸过程。

所述光致导电层4位于所述第二电极板3的表面靠近所述第一电极板2的一侧，其由金属光电材料或高分子光电材质制成，具体的，所述光致导电层4由硒、氧化锌、硫化镉等材料制成，具体根据实际需要，选择所述光致导电层4的材料。

此处需要说明的是，由于所述光致导电层4具有光照导电的特性，故其受到光照的区域会形成导电区42，没有光照的区域会形成绝缘区41。

所述电铸液5用于实现电铸反应，其为金属盐水溶液，内含有金属离子及阴离子，便于电铸反应时，金属离子被还原，沉积于所述光致导电层4的表面。

所述光源6用于照射所述光致导电层4，便于在所述光致导电层4上形成绝缘区41和导电区42，故本发明的光源6形状根据具体需要电铸的微结构的形状的变化而变化，如需要阵列排布的柱状结构时，则所述光源6为阵列排布的点光源。

为了提高微电铸结构的精度，实现脉冲电铸，本实施例中，所述光源6为脉冲光源，实现了脉冲电铸，从而提高电铸精度。

本发明的供电电源1为直流电源，光源6为脉冲光源，采用直流电源与脉冲光源的结合，实现了传统脉冲电源的效果，无须制作脉冲电源，且电铸精度保持不变，节约了生产成本。

本发明提供的基于光致导电电极板的微电铸装置，电铸时，供电电源1供电，在第一电极板2与第二电极板3之间形成电场，光源6发出的光透过第二电极3板照射于光致导电层4上，在光致导电层4上形成导电区42，电铸液5中的金属离子被还原成金属原子，并吸附在导电区42表面，金属原子置入导电区42表面进行晶核的生成和长大，从而实现了本发明的微电铸过程。

相应的本发明还提供基于上述微电铸装置的微电铸方法。

下面通过两个具体实施例说明通过上述微电铸装置电铸阵列排布的柱状结构和类金字塔结构的过程：

实施例一

如图2所示，阵列排布的柱状结构，光源6为阵列排布的点光源，且该点光源的形状及大小与柱状结构的截面形状及大小相同，具体包括以下步骤：

S1、供电电源1供电，在所述第一电极板2与所述第二电极板3之间形成电场。

S2、提供阵列排布的点光源，该光源透过所述第二电极板3照射在光致导电层4上，在光致导电层4上形成阵列排布的导电区42。

S3、电铸液5内部的金属离子被还原成金属原子，金属原子在导电区42与电铸液5的界面上沉积，实现晶核的生成和长大，形成电铸层。

此处由于电铸层为金属层，亦可以导电，金属离子就会不断的在电铸层与电铸液5之间的截面上沉积，得到所需的厚度后，关闭光源和供电电源1即可完成整个电铸过程。

实施方式二

如图3-4所示，类金字塔结构，光源6为面积可变的光源，具体包括以下步骤：

S1、供电电源1供电，在所述第一电极板2与所述第二电极板3之间形成电场。

S2、光源6透过所述第二电极板3照射在光致导电层4上，在光致导电层4上形成面积为a1的第一导电区，此时，光源面积也为a1。

S3、电铸液5内部的金属离子被还原成金属原子，金属原子在第一导电区与电铸液5的界面上沉积，实现晶核的生成和长大，形成第一电铸层。

S4、增加光源6面积为a2，在第一导电区的周围形成第二导电区，第二导电区的面积为a2-a1，电铸液5内部的金属离子被还原成金属原子，金属原子在第一电铸层与电铸液5的界面和第二导电区与电铸液5的截面上沉积，实现晶核的生成和长大，形成第二电铸层，其中，a2大于a1。

重复步骤S4,直至形成预设的类金字塔结构，即可完成整个电铸过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的基于光致导电电极板的微电铸装置，利用光致导电层受光照导电的特性，通过控制光源的形状及面积来控制电铸呈的面积及形状，省去了传统电铸加工的掩膜的制作，简化了加工过程，节约了生产成本，另一方面，通过两个电极板产生电化学反应，使得电铸液中的金属离子被还原，实现电铸功能。

2、本发明提供的基于光致导电电极板的微电铸装置，采用成本低廉的直流电源和脉冲光源相互配合，实现了传统脉冲电源的效果，保证了电铸精度，且无须制作脉冲电源。

3、本发明提供的基于微电铸装置的微电铸方法，无须制作掩膜等步骤，直接通过光源的改变实现电铸结构的改变，工艺简单，操作精度高，生产成本低。

4、本发明提供的基于微电铸装置的微电铸方法，通过光源快速简单地改变电铸层的结构，可实现3D电铸成形。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光致导电电极板的微电铸装置，其特征在于，包括供电电源、与所述供电电源电连接的第一电极板、与所述供电电源电连接的第二电极板、位于所述第二电极板表面靠近所述第一电极板一侧的光致导电层、用于实现电铸反应的电铸液以及用于照射所述第二电极板的光源；

所述第二电极板为透明电极板，所述光源发出的光透过所述第二电极板照射在所述光致导电层的部分表面上，在所述光致导电层上形成绝缘区和导电区；

其中，所述绝缘区为所述光致导电层上未被所述光源照射到的区域，所述导电区为所述光致导电层上被所述光源照射到的区域；

通电后，电铸液中的金属离子被还原成金属原子，金属原子在所述导电区的表面进行晶核的长大，形成微电铸结构；

所述光致导电层由硒、氧化锌或硫化镉制成；

所述第二电极板由导电玻璃或导电塑料制成。

2.如权利要求1所述的基于光致导电电极板的微电铸装置，其特征在于，所述光源为脉冲光源，所述供电电源为直流电源。

3.如权利要求1所述的基于光致导电电极板的微电铸装置，其特征在于，所述供电电源为脉冲电源。

4.如权利要求1所述的基于光致导电电极板的微电铸装置，其特征在于，所述第一电极板为阳极电极板；

所述第二电极板为阴极电极板。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述的微电铸装置的微电铸方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、供电电源供电，在第一电极板与第二电极板之间形成电场；

S2、提供光源，所述光源为阵列排布的点光源，所述光源透过所述第二电极板照射在光致导电层上，在所述光致导电层上形成阵列排布的导电区；

S3、电铸液内部的金属离子被还原成金属原子，金属原子在所述导电区与电铸液的界面上沉积，实现晶核的生成和长大，形成阵列排布的柱状结构的电铸层；

其中，该柱状结构的电铸层的截面的形状及大小与所述点光源的形状及大小相同。

6.一种基于权利要求1-4任一项所述的微电铸装置的微电铸方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、供电电源供电，在第一电极板与第二电极板之间形成电场；

S2、光源透过所述第二电极板照射在光致导电层上，在光致导电层上形成面积为a1的第一导电区，此时，光源面积也为a1；

S3、电铸液内部的金属离子被还原成金属原子，金属原子在第一导电区与电铸液的界面上沉积，实现晶核的生成和长大，形成第一电铸层；

S4、增加光源面积为a2，在第一导电区的周围形成第二导电区，第二导电区的面积为a2-a1，电铸液内部的金属离子被还原成金属原子，金属原子在第一电铸层与电铸液的界面和第二导电区与电铸液的界面上沉积，实现晶核的生成和长大，形成第二电铸层，其中，a2大于a1；

重复步骤S4，直至形成预设的类金字塔结构。

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