CN110528039B - 基于微弱离子电流检测监控的微纳结构局域电沉积装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于微弱离子电流检测监控的微纳结构局域电沉积装置，包括：导电基底，其电连接偏置电压源的负极；玻璃毛细管，用于盛放金属盐溶液，其具有呈锥形开口的尖端，且该尖端指向所述导电基底；阳极金属电极，其插入所述金属盐溶液中，并电连接偏置电压源正极；偏置电压源，其用于提供偏置电压；以及微弱电流放大器，其串联耦接于所述导电基底和偏置电压源的负极之间，用于放大回路中的电流信号，并转换为相应的电压信号输出。本发明的装置可对弯月形限制电镀工艺的制造过程进行有效在线监控。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种基于微弱离子电流检测监控的微纳结构局域电沉积装置。
背景技术
微纳电子器件是现代电气工业朝小型化、集成化发展的重要元件，而金属微纳微结构的制造技术是解决微纳电子器件朝更高水平发展的重要技术手段。例如电化学腐蚀工艺制造PCB电路板，则是在宏观领域刻蚀出电路结构，替代了电子器件之间的导线连接，减小了接触电阻、接触电容和泄漏电流，提高了电路的电气性能，同时也降低了电路的成本。在微观领域，微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)利用尺度效应体现出来各种金属、非金属的特殊性质，通过光刻、离子刻蚀等加工工艺、制造灵敏的各类传感器。光刻技术(Lithography)是利用曝光和刻蚀的方法将掩膜版上的电路图案刻印到硅片上，形成具有电气功能的纳米级电气系统，在此基础形成了大规模集成电路，成为了现代芯片加工的重要手段。
然而，以上现有的电子器件制造技术都属于减材制造工艺，无法进行复杂三维结构的制造，而且随着加工技术的成熟，目前越来越受到物理原理的限制，例如在芯片制造过程中受到物理量子效应的影响，光刻技术的制程升级越来越缓慢。相比之下，增材制造工艺提供了一种新的提升微纳电子器件性能的方案，可以实现在更高的维度制造更多的微纳电子器件，以实现性能的极大提升。
弯月形限制电镀(Meniscus-confined electrodeposition)是一种金属微纳结构的增材制造技术。在微纳毛细管内注入金属盐溶液，如硫酸铜溶液，在微纳毛细管和导电基底之间施加偏置电压，其中插入溶液中的为阳极，导电基底为负极。当微纳喷头和导电基底相接触时会形成一个弯月形溶液区域。在微纳尺度下，溶液的表面张力远大于重力、摩擦力等宏观中对物体运动影响较大的力，从而形成了该弯月形区域。利用局域电沉积的原理，金属离子在阴极导电基底上得电子还原成金属单质，从而自导电基底向上填充弯月形区域，此时控制微纳喷头的运动，就可以实现微纳金属结构的增材制造。
目前，该技术的在线监控方式主要是光学显微镜监控，需要人对制造过程进行观察和测量，且由于光学显微镜物理光学的限制，监控的质量比较粗糙，无法清楚地反映加工过程中制造的金属结构表面质量，人为主观性明显。另外，若需要采用该方法制造分辨率更高的微纳金属结构，当分辨率在1微米以下时，已经无法使用光学显微镜进行有效的监控，对于加工过程的在线监控受到了限制。由于现有技术缺乏有效的检测评估手段，无法对制造过程定量描述，也就无法实现精确和高效的控制，对加工质量进行控制和优化。
发明内容
基于上述问题，本发明提供了一种基于微弱离子电流检测监控的微纳结构局域电沉积装置，以对弯月形限制电镀工艺的制造过程进行有效在线监控。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于微弱离子电流检测监控的微纳结构局域电沉积装置，包括：
导电基底，其电连接偏置电压源的负极；
玻璃毛细管，用于盛放金属盐溶液，其具有呈锥形开口的尖端，且该尖端指向所述导电基底；
阳极金属电极，其插入所述金属盐溶液中，并电连接偏置电压源正极；
偏置电压源，其用于提供偏置电压；
以及微弱电流放大器，其串联耦接于所述导电基底和偏置电压源的负极之间，用于放大回路中的电流信号，并转换为相应的电压信号输出。
进一步的，所述微弱电流放大器通过BNC接头耦接所述导电基底和偏置电压源。
进一步的，该装置还包括：
示波器，其用于接收并显示所述微弱电流放大器输出的电压信号；
和/或采集卡，其用于采集所述微弱电流放大器输出的电压信号。
可选的，所述导电基底的材料为氧化铟锡玻璃或镀金、镀铜基底，并于底部垫设有亚克力绝缘塑料板。
进一步的，所述玻璃毛细管的外壁上还套设有屏蔽金属管，并于靠近所述尖端的一端设有圆锥形金属螺帽，所述圆锥形金属螺帽与屏蔽金属管通过螺纹连接，并于接头处设有橡胶套。
进一步的，所述屏蔽金属管上设有金属环状卡钳；所述偏置电压源和微弱电流放大器一体式集成设置，并通过BNC线耦接所述阳极金属电极和导电基底；其中，所述BNC线的信号线分别耦接所述阳极金属电极和导电基底，屏蔽线耦接所述金属环状卡钳。
进一步的，所述BNC线的信号线以及屏蔽线分别通过金属鳄鱼夹连接所述阳极金属电极和金属环状卡钳。
进一步的，所述BNC线的信号线连接一金属片，并通过导电胶固定于所述导电基底上，所述导电胶的外侧通过绝缘胶密封。
优选的，所述金属片为去除氧化膜后的薄铝板，所述导电胶为双组分环氧树脂导电胶。
本发明的有益效果如下：
本发明的装置，克服了当前基于光学显微镜监控弯月形限制电镀过程监控方式不准确，无法捕捉到微小尺度的变化，以及无法量化制造过程，对制造过程的控制依赖于人肉眼对显微镜图像的观察，十分不精准的缺陷，提出了一种新型的监控方式——基于微弱电流监控制造过程，该方法量化了制造过程，能够检测出10pA～1mA大小微弱离子电流，可以对微小尺度的制造过程进行量化的描述，使得可以在此基础上进行进一步的控制的调节，对制造复杂三位结构有重要意义。
附图说明
图1为本发明的微纳结构局域电沉积装置一种实施例的组成连接示意图。
图2为本发明的微纳结构局域电沉积装置另一种实施例的组成连接示意图。
图3为图2实施例中BNC线和导电基地的连接示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
本发明第一个实施例提供了一种基于微弱离子电流检测监控的微纳结构局域电沉积装置，如图1所示，其包括导电基底1，其上表面有已经制造的微纳金属结构2。玻璃毛细管5具有呈锥形开口的尖端，里面盛放金属盐溶液4，其尖端和已经制造的微纳金属结构2形成了弯月面区域3。在金属盐溶液4中插有阳极金属电极6，偏置电压源7的正极和负极分别电连接阳极金属电极6和导电基底1。为了监测回路中的微弱电流，导电基底和偏置电压源的负极之间在设置了微弱电流放大器9，以放大回路中的电流信号，并转换为相应的电压信号输出。输出的电压信号可以通过示波器观测或由采集卡进行采集。
采用本实施例中的装置，通过微弱电流放大器，即可对制造过程中金属盐溶液中的微弱离子电流进行检测，进而通过离子电流的大小知晓制造过程中是否出现故障，增材制造的过程是否均匀连续，并能够在电流基础上采取相应的运动反馈措施，对制造过程进行反馈控制，从而提升金属结构的表面制造质量。
作为优选实施方案，本实施例中，微弱电流放大器选用鸿宾公司的HB-874，检测范围在20pA～1mA。导电基底1的材料为氧化铟锡(ITO)玻璃或镀金、镀铜基底。同时，为了减少外部干扰，微弱电流放大器通过BNC接头耦接导电基底和偏置电压源。
实施例2
本发明第二个实施例对上述实施例1中的基于微弱离子电流检测监控的微纳结构局域电沉积装置做了进一步改进。
为避免微弱电流的检测和监控受到外界电磁环境，特别是50Hz的工频干扰，需要采取高效的电磁屏蔽措施。主要方法如下：(1)插入金属盐溶液的阳极是一条直径0.3mm左右的金属线，裸露在空气中易受到电磁干扰，需要对金属线外缘增加屏蔽层进行保护，覆盖整条金属线区域。(2)为了方便更换玻璃毛细管，必须将连接BNC部分设计成可拆卸形式，采用鳄鱼夹连接进行BNC线剥开后的信号线和屏蔽，屏蔽线连接金属外壳，信号线连接金属线阴极和导电基底正极。剥开部分越短越好，屏蔽性能越好。另外，信号传输线采用BNC线，在传输过程中拥有良好的信号屏蔽效果。
具体的，如图2所示，导电基底1的底部垫设有亚克力绝缘塑料板16，玻璃毛细管5的外壁上还套设有屏蔽金属管12，并于靠近尖端的一端设有圆锥形金属螺帽13，该圆锥形金属螺帽与屏蔽金属管通过螺纹连接，并于接头处设有橡胶套14。
另外，屏蔽金属管12上设有金属环状卡钳15。偏置电压源7和微弱电流放大器9一体式集成设置，并通过BNC线81、82耦接阳极金属电极6和导电基底1。其中，BNC线81、82的信号线811、821分别耦接阳极金属电极6和导电基底1，屏蔽线812、822耦接金属环状卡钳15。
作为优选实施方案，BNC线81的信号线811以及屏蔽线812、822分别通过金属鳄鱼夹83、84连接阳极金属电极6和金属环状卡钳15。
另一方面，由于连接微弱电流放大器输入端的BNC线剥开后信号线连接导电基底属于特殊的连接条件，没有标准的连接接口。如图3所示，本实施例中首先在导电基底1上放置一块导电金属片17，常用去除氧化膜后的薄铝板，以增大BNC线剥开后信号线和导电基底之间的接触面积，增加导电性。同时采用双组分环氧树脂导电胶作为粘接剂，双组分环氧树脂导电胶采用双管封装保存，使用时将两种组分按1:1比例混合，搅拌至颜色一致和均匀，取少量覆盖在导电金属片17和BNC线剥开后信号线表面，并与导电基底接触，把粘接面对准接合到一起并压实，再用夹子、橡皮筋、胶带或镇压重物押金固定直至粘接完成。常温下1-2小时初步固化，24小时完全固化。之后采用绝缘胶涂覆在导电胶表面，并包裹大部分裸露的BNC线剥开后信号线，实现导电触点和外界绝缘的目的。
采用上述连接方法使得电气和机械连接十分可靠牢固，降低了接触电阻和电磁干扰，提高了微弱电流检测的信噪比。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于微弱离子电流检测监控的微纳结构局域电沉积装置，其特征在于，包括：
导电基底(1)，其电连接偏置电压源的负极，所述导电基底(1)的材料为氧化铟锡(ITO)玻璃或镀金、镀铜基底，并于底部垫设有亚克力绝缘塑料板(16)；
玻璃毛细管(5)，用于盛放金属盐溶液(4)，其具有呈锥形开口的尖端，且该尖端指向所述导电基底；所述玻璃毛细管(5)的外壁上还套设有屏蔽金属管(12)，并于靠近所述尖端的一端设有圆锥形金属螺帽(13)，所述圆锥形金属螺帽与屏蔽金属管通过螺纹连接，并于接头处设有橡胶套(14)；
阳极金属电极(6)，其插入所述金属盐溶液中，并电连接偏置电压源正极；
偏置电压源(7)，其用于提供偏置电压；
以及微弱电流放大器(9)，其通过BNC接头串联耦接于所述导电基底和偏置电压源的负极之间，用于放大回路中的电流信号，并转换为相应的电压信号输出。
2.如权利要求1所述的基于微弱离子电流检测监控的微纳结构局域电沉积装置，其特征在于，还包括：
示波器，其用于接收并显示所述微弱电流放大器输出的电压信号；
和/或采集卡，其用于采集所述微弱电流放大器输出的电压信号。
3.如权利要求1所述的基于微弱离子电流检测监控的微纳结构局域电沉积装置，其特征在于，所述屏蔽金属管(12)上设有金属环状卡钳(15)；所述偏置电压源(7)和微弱电流放大器(9)一体式集成设置，并通过BNC线(81、82)耦接所述阳极金属电极(6)和导电基底(1)；其中，所述BNC线(81、82)的信号线(811、821)分别耦接所述阳极金属电极(6)和导电基底(1)，屏蔽线(812、822)耦接所述金属环状卡钳(15)。
4.如权利要求3所述的基于微弱离子电流检测监控的微纳结构局域电沉积装置，其特征在于，所述BNC线(81)的信号线(811)以及屏蔽线(812、822)分别通过金属鳄鱼夹(83、84)连接所述阳极金属电极(6)和金属环状卡钳(15)。
5.如权利要求3所述的基于微弱离子电流检测监控的微纳结构局域电沉积装置，其特征在于，所述BNC线(82)的信号线(821)连接一金属片(17)，并通过导电胶(18)固定于所述导电基底(1)上，所述导电胶(18)的外侧通过绝缘胶(19)密封。
6.如权利要求5所述的基于微弱离子电流检测监控的微纳结构局域电沉积装置，其特征在于，所述金属片(17)为去除氧化膜后的薄铝板，所述导电胶(18)为双组分环氧树脂导电胶。
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