CN113355702A - 基于弯月面约束电沉积的增材制造装置及方法 - Google Patents
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Abstract
基于弯月面约束电沉积的增材制造装置及方法属于增材制造技术领域，包括隔振模块、增材制造运动平台、精密定位模块、监测模块和电极模块。本发明利用弯月面约束电沉积技术，使电沉积在移液管尖端和导电基底之间的液体弯月面内进行，在移动滑台的移动下，使液桥向多方向延展，并通过六轴PI运动控制台与移动滑台的精密配合移动对基底与移液管的相对位置进行补偿，使基底与移液管之间持续地保持稳定的液桥，从而形成高质量、致密性高、表面光洁度高的复杂均匀沉积结构。真正意义上实现亚微米级玻璃移液管的正向微增材制造，通过定域电化学技术整合机械微运动与微流体技术，使整个沉积过程更稳定，并更具有延展性。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别是涉及到一种基于弯月面约束电沉积的增材制造装置及方法。
背景技术
电化学沉积技术，简称电沉积，是一种典型的以逐层堆积方式成形的增材式加工方法。基于水溶液的电沉积技术一般具有适用材料广泛、操作温度低(一般70℃以下)、组织-形貌-性能可协同控制、适用领域广泛等优势。理论上，只需诱导经还原而成的金属原子按设计意图可控地堆叠起来，就能利用电沉积技术来加工或打印成任意形状的金属结构与零件。为此，学界和业界已从多个角度对电沉积三维微制造技术进行了研究，以增强其工艺能力和微增材制造潜能。至今，已有近10种面向金属基三维微结构与零件制造的电沉积技术被开发出来，主要有掩膜电沉积，即膜沉积，EFAB，局域生长电沉积，喷射电沉积，电化学打印，弯月面约束电沉积技术，电化学扫描隧道显微镜等。这其中，有些已经获得了良好的商业应用效果。
弯月面约束电沉积技术属于电化学三维微沉积技术的一种，其能够以成本有效的方式制造纯金属微/纳米结构。它依靠一个装有电解液的微量移液管，移液管的出口直径在数百纳米到数微米之间，当微量移液管接近基底的表面，在移液管出口和基底之间可以形成连续稳定的弯月面，并在外加电场作用下使弯月面内部发生电化学反应,以在导体基底上成形具有三维形状特征的金属、合金、导电聚合物或半导体结构与零件。
现有的电化学三维电沉积技术，如局部电化学沉积，导电阳极被引导到大量电解质浴中，并且由于电场被限制在衬底上非常小的区域，导致电极下的质量传输增加，并且沉积物多为高孔隙率和表面光洁度差的铜微柱。而对于其他的电沉积方法，有的需要掩模操作、步骤繁琐，有的需要高能量密度的外界能量输入，有的操作需要真空环境，有的不能实现真正的定域性加工等，存在多种限制，沉积物普遍存在高孔隙率、表面光洁性差、结构简单等问题。
因此现有技术当中亟需一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于弯月面约束电沉积的增材制造装置及方法用于解决现有的电化学三维电沉积技术形成的沉积物普遍存在高孔隙率、表面光洁性差、结构简单等技术问题。
基于弯月面约束电沉积的增材制造装置，包括隔振模块、增材制造运动平台、精密定位模块、监测模块和电极模块，所述隔振模块包括隔振平台、控制系统框架车、精密定位控制器、恒电位仪模块、移液管气压控制器、宏观移动控制器以及总控制系统；所述隔振平台为增材制造运动平台的基座；所述控制系统框架车位于隔振平台的下部，控制系统框架车上放置精密定位控制器、恒电位仪模块、移液管气压控制器、宏观移动控制器和总控制系统；
所述增材制造运动平台为XYZ三轴运动平台框架，增材制造运动平台位于隔振平台的上部，增材制造运动平台包括X轴宏观移动模块、Y轴宏观移动模块和Z轴宏观移动模块，X轴宏观移动模块、Y轴宏观移动模块和Z轴宏观移动模块分别与宏观移动控制器电性连接；所述Y轴宏观移动模块固定安装在隔振平台上；所述Z轴宏观移动模块通过螺栓固定安装在Y轴宏观移动模块的顶部；所述X轴宏观移动模块的一侧通过螺栓固定安装在Z轴宏观移动模块的一侧；
所述精密定位模块包括XYZ三轴移动滑台、六轴PI运动控制台和五轴移动滑台，XYZ三轴移动滑台、六轴PI运动控制台和五轴移动滑台分别与精密定位控制器电性连接；所述XYZ三轴移动滑台通过转接板固定安装在隔振平台的上部；所述六轴PI运动控制台通过转接板固定设置在XYZ三轴移动滑台的上部，XYZ三轴移动滑台和六轴PI运动控制台是工作电极移动的执行机构；所述五轴移动滑台的一侧通过转接板固定设置在X轴宏观移动模块的另一侧，五轴移动滑台与Y轴宏观移动模块平行，五轴移动滑台的另一侧与移液管夹具连接；
所述监测模块包括摄像头架以及摄像头；所述摄像头架设置在隔振平台的上部；所述摄像头通过螺栓固定设置在摄像头架上；
所述电极模块包括工作电极、工作电极绝缘支架、参比电极Ag/AgCl、电极模块支架、铂丝阳极、移液管以及移液管夹具；所述电极模块支架设置在六轴PI运动控制台的上部；所述工作电极绝缘支架通过磁铁吸附的方式安装在电极模块支架上；所述工作电极安装在工作电极绝缘支架的内部正中心处；所述移液管夹具与五轴移动滑台的另一侧固定连接，移液管夹具夹持移液管；所述铂丝阳极安装在移液管的内部；所述参比电极Ag/AgCl安装在移液管内部；
所述恒电位仪模块分别与工作电极、参比电极Ag/AgCl、以及铂丝阳极电性连接；
所述移液管气压控制器包括气压进给装置以及电解液贮存槽；所述电解液贮存槽贮存电解液，电解液贮存槽通过管路与移液管连接；所述气压进给装置与电解液贮存槽连接，气压进给装置与总控制系统电性连接；
所述总控制系统分别与摄像头、精密定位控制器、恒电位仪模块、移液管气压控制器以及宏观移动控制器电性连接。
所述控制系统框架车的底部安装有滚轮。
基于弯月面约束电沉积的增材制造方法，应用所述的基于弯月面约束电沉积的增材制造装置，包括以下步骤，且以以下的步骤顺次进行，
步骤一：电沉积反应液的配置，配置标准为0.8M CuSO4溶液，置于电解液贮存槽中；
步骤二：准备镀铜硅晶圆作为工作电极，镀层厚度为15nm，工作电极的尺寸为20*20*1.2mm；
步骤三：利用丙酮溶液对工作电极进行清洗，利用超声波清洗机对工作电极浸没去离子水溶液清洗5分钟；
步骤四：将工作电极固定在工作电极绝缘支架上，用软头镊子轻微调整工作电极，使工作电极的上表面保持水平，手动调控六轴PI运动控制台与五轴移动滑台，使工作电极的上表面与移液管的竖直轴线保持垂直位置，完成初始手动定位；
步骤五：通过移液管气压控制器控制气压和气量的大小推动所述步骤一制备的0.8M CuSO4溶液注入移液管，至完全充满移液管；
步骤六：在工作电极上施加-0.5V的电压，总控制系统控制X轴宏观移动模块沿Z轴宏观移动模块向下运动，带动移液管向下移动，总控制系统控制Z轴宏观移动模块沿Y轴宏观移动模块运动，带动移液管移动至工作电极正上方，完成二次自动定位，在保证室温25℃、环境湿度30％的同时，启动总控制系统的按钮，开始进行增材制造；
步骤七：总控制系统通过控制宏观移动控制器从而控制增材制造运动平台进行宏观运动，总控制系统通过控制精密定位控制器从而控制精密定位模块运动，使移液管逐渐接近工作电极进行亚微米精度的增材制造；
步骤八：在亚微米精度的增材制造过程中，总控制系统通过控制增材制造运动平台和精密定位模块从而控制移液管的回退速度与增材沉积生长速度，使增材沉积保持一致，持续形成稳定的液桥，进而进行弯月面约束电沉积。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
本发明利用弯月面约束电沉积技术，使电沉积在移液管尖端(通常是玻璃毛细管)和导电基底之间的液体弯月面内进行，在移动滑台的移动下，实现液桥的在X方向和Y方向的延伸，通过控制移液管的回退速度和沉积速度从而实现液桥的Z向延展，并通过六轴PI运动控制台与移动滑台的精密配合移动对基底与移液管的相对位置进行补偿，使基底与移液管之间持续地保持稳定的液桥，从而形成高质量、致密性高、表面光洁度高的复杂均匀沉积结构。真正意义上实现亚微米级玻璃移液管的正向微增材制造，通过定域电化学技术整合机械微运动与微流体技术，使整个沉积过程更稳定，并更具有延展性，从而更加容易的实现了表面光洁度高、结构复杂的微米级和亚微米级沉积。
本发明的进一步有益效果在于：
1、该微增材制造过程无需掩模工序处理，直接可以进行悬垂结构的直接定域沉积过程。
2、利用弯月面约束电沉积技术可以实现金属微结构无掩模高定域性沉积，通过六轴PI运动控制台与移动滑台的高精度配合运动达到了为实现弯月面约束电沉积技术的高移动位移精度硬件的要求。
3、无需苛刻的环境要求即不需要真空环境或者惰性气体环境。
4、微增材制造过程中无需输入额外热量，不存在热应力，更无需进行后续退火处理等步骤。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明基于弯月面约束电沉积的增材制造装置及方法中装置的结构示意图。
图2为本发明基于弯月面约束电沉积的增材制造装置及方法中增材制造运动平台与精密定位模块的结构示意图。
图3为本发明基于弯月面约束电沉积的增材制造装置及方法中电极模块的结构示意图。
图中1-隔振模块、101-隔振平台、102-控制系统框架车、103-精密定位控制器、104-恒电位仪模块、105-移液管气压控制器、106-宏观移动控制器、107-总控制系统、2-增材制造运动平台、201-X轴宏观移动模块、202-Y轴宏观移动模块、203-Z轴宏观移动模块、3-精密定位模块、301-XYZ三轴移动滑台、302-六轴PI运动控制台、303-五轴移动滑台、4-监测模块、401-摄像头架、402-摄像头、5-电极模块、501-工作电极、502-工作电极绝缘支架、503-参比电极Ag/AgCl、504-电极模块支架、505-阳极铂丝、506-移液管、507-移液管夹具。
具体实施方式
基于弯月面约束电沉积的增材制造装置，如图1～图3所示，包括隔振模块1、增材制造运动平台2、精密定位模块3、监测模块4和电极模块5，
所述隔振模块1包括隔振平台101、控制系统框架车102、精密定位控制器103、恒电位仪模块104、移液管气压控制器105、宏观移动控制器106以及总控制系统107。所述隔振平台101是增材制造运动平台2的基座，负责抵消外界对于整个系统的振动；所述控制系统框架车102底部安装有4个滚轮，可以进行移动，控制系统框架车内部搭载着整个控制系统的各部分组件，最上层搭载精密定位控制器103和恒电位仪模块104；第二层搭载移液管气压控制器105和宏观移动控制器106；最下层搭载总控制系统107；所述移液管气压控制器105包括气压进给装置以及电解液贮存槽，所述电解液贮存槽用于贮存电解液，与移液管506相连；所述气压进给装置与电解液贮存槽相连，控制金属离子溶液挤出；该部分是整个装置的控制部分，负责整个系统的沉积部分。
所述增材制造运动平台2为XYZ三轴运动平台框架，位于隔振平台101之上，增材制造运动平台2包括X轴宏观移动模块201、Y轴宏观移动模块202和Z轴宏观移动模块203，X轴宏观移动模块201、Y轴宏观移动模块202和Z轴宏观移动模块203分别与宏观移动控制器106电性连接。所述Y轴宏观移动模块202固定设置在隔振平台101上；所述Z轴宏观移动模块203通过螺栓固定设置在Y轴宏观移动模块202的顶部；所述X轴宏观移动模块201通过螺栓固定设置在Z轴宏观移动模块203的内侧；该部分主要负责整个装置的宏观移动。
所述精密定位模块3包括XYZ三轴移动滑台301、六轴PI运动控制台302、五轴移动滑台303，XYZ三轴移动滑台301、六轴PI运动控制台302和五轴移动滑台303分别与精密定位控制器103电性连接。所述XYZ三轴移动滑台301通过转接板固定设置在隔振平台101的上部；所述六轴PI运动控制台302通过转接板固定设置在XYZ三轴移动滑台301的上部；XYZ三轴移动滑台301和六轴PI运动控制台302是工作电极501移动的执行机构；所述五轴移动滑台303通过转接板固定设置在X轴宏观移动模块201的内侧，与Y轴宏观移动模块202平行，是移液管506移动的执行机构。
所述监测模块4包括摄像头架401以及摄像头402，所述摄像头架501设置在隔振平台101的上部，所述摄像头402通过螺栓固定设置在摄像头架401上；监测模块是整个装置的摄像部分，负责监测整个沉积的过程。
所述电极模块5包括工作电极501、工作电极绝缘支架502、参比电极Ag/AgCl503、电极模块支架504、铂丝阳极505、移液管506以及移液管夹具507；所述电极模块支架504设置在六轴PI运动控制台302上；所述工作电极绝缘支架502通过磁铁吸附的方式安装在电极模块支架504上；所述工作电极501安装在工作电极绝缘支架502的正中心；所述移液管夹具507固定设置在五轴移动滑台303上；所述移液管506安装在移液管夹具507内部，为电化学沉积三电极系统的定域给液位置；所述铂丝阳极505安装在移液管506内部；所述参比电极Ag/AgCl503安装在移液管506内部。所述恒电位仪模块104分别与工作电极501、参比电极Ag/AgCl503、以及铂丝阳极505电性连接；
所述恒电位仪模块104分别与工作电极501、参比电极Ag/AgCl503、以及铂丝阳极505电性连接；
所述总控制系统107分别与摄像头402、精密定位控制器103、恒电位仪模块104、移液管气压控制器105以及宏观移动控制器106电性连接。
基于弯月面约束电沉积的增材制造方法，应用上述的基于弯月面约束电沉积的增材制造装置，运用电化学沉积原理，通过移液管进行定域给液完成亚微米级金属结构无掩膜增材制造。包括以下步骤，且以以下的步骤顺次进行。
步骤一：电沉积反应液的配置，配置标准为0.8M CuSO4溶液，置于电解液贮存槽中；
步骤二：准备镀铜硅晶圆作为工作电极501，镀层厚度为15nm，工作电极501的尺寸为20*20*1.2mm；
步骤三：利用丙酮溶液对工作电极501进行清洗，利用超声波清洗机对工作电极501浸没去离子水溶液清洗5分钟；
步骤四：将工作电极501通过铰链固定安装在工作电极绝缘支架502上，用软头镊子轻微调整工作电极501的上表面使其大致水平，手动调控六轴PI运动控制台302与五轴移动滑台303，使工作电极501上表面与移液管506的竖直轴线保持垂直位置，完成初始手动定位；
步骤五：通过移液管气压控制器105控制气压和气量的大小推动所述步骤一制备的0.8M CuSO4溶液注入移液管506，至完全充满移液管506，轻按移液管气压控制器105的按钮，移液管506的溶液能顺利滴出即可；
步骤六：在工作电极上施加-0.5V的电压，总控制系统控制X轴宏观移动模块沿Z轴宏观移动模块向下运动，带动移液管向下移动，总控制系统控制Z轴宏观移动模块沿Y轴宏观移动模块运动，带动移液管移动至工作电极正上方，完成二次自动定位，在保证室温25℃、环境湿度30％的同时，启动总控制系统的按钮，开始进行增材制造；
步骤七：通过增材制造运动平台2的宏观运动系统和精密定位模块3控制移液管506，使移液管506逐渐接近工作电极501进行亚微米精度的增材制造；
步骤八：在亚微米精度的增材制造过程中，通过严格地控制移液管506的回退速度与沉积生长速度，使其保持一致，持续形成稳定的液桥，进而进行弯月面约束电沉积。
所述步骤八中亚微米精度的增材制造过程为超精定域电化学沉积的过程，通过施加电场，利用电化学作用将金属溶液中的金属离子还原为金属原子，并进入到金属晶格之中形成金属固体。
本发明设计的是一种基于弯月面约束电沉积的增材制造装置及方法，该方法是能够实现更复杂沉积的一种沉积方式。该微增材制造过程无需掩模工序处理，直接可以进行悬垂结构的直接定域沉积过程。利用弯月面约束电沉积技术可以实现金属微结构无掩模高定域性沉积，通过六轴PI运动控制台302与五轴移动滑台303的高精度配合运动达到了为实现弯月面约束电沉积技术的高移动位移精度硬件的要求。无需苛刻的环境要求(真空环境或者惰性气体环境)。微增材制造过程中无需输入额外热量，不存在热应力，更无需进行后续退火处理等步骤。
Claims (3)
1.基于弯月面约束电沉积的增材制造装置，其特征是：包括隔振模块(1)、增材制造运动平台(2)、精密定位模块(3)、监测模块(4)和电极模块(5)，所述隔振模块(1)包括隔振平台(101)、控制系统框架车(102)、精密定位控制器(103)、恒电位仪模块(104)、移液管气压控制器(105)、宏观移动控制器(106)以及总控制系统(107)；所述隔振平台(101)为增材制造运动平台(2)的基座；所述控制系统框架车(102)位于隔振平台(101)的下部，控制系统框架车(102)上放置精密定位控制器(103)、恒电位仪模块(104)、移液管气压控制器(105)、宏观移动控制器(106)和总控制系统(107)；
所述增材制造运动平台(2)为XYZ三轴运动平台框架，增材制造运动平台(2)位于隔振平台(101)的上部，增材制造运动平台(2)包括X轴宏观移动模块(201)、Y轴宏观移动模块(202)和Z轴宏观移动模块(203)，X轴宏观移动模块(201)、Y轴宏观移动模块(202)和Z轴宏观移动模块(203)分别与宏观移动控制器(106)电性连接；所述Y轴宏观移动模块(202)固定安装在隔振平台(101)上；所述Z轴宏观移动模块(203)通过螺栓固定安装在Y轴宏观移动模块(202)的顶部；所述X轴宏观移动模块(201)的一侧通过螺栓固定安装在Z轴宏观移动模块(203)的一侧；
所述精密定位模块(3)包括XYZ三轴移动滑台(301)、六轴PI运动控制台(302)和五轴移动滑台(303)，XYZ三轴移动滑台(301)、六轴PI运动控制台(302)和五轴移动滑台(303)分别与精密定位控制器(103)电性连接；所述XYZ三轴移动滑台(301)通过转接板固定安装在隔振平台(101)的上部；所述六轴PI运动控制台(302)通过转接板固定设置在XYZ三轴移动滑台(301)的上部，XYZ三轴移动滑台(301)和六轴PI运动控制台(302)是工作电极(501)移动的执行机构；所述五轴移动滑台(303)的一侧通过转接板固定设置在X轴宏观移动模块(201)的另一侧，五轴移动滑台(303)与Y轴宏观移动模块(202)平行，五轴移动滑台(303)的另一侧与移液管夹具(507)连接；
所述监测模块(4)包括摄像头架(401)以及摄像头(402)；所述摄像头架(501)设置在隔振平台(101)的上部；所述摄像头(402)通过螺栓固定设置在摄像头架(401)上；
所述电极模块(5)包括工作电极(501)、工作电极绝缘支架(502)、参比电极Ag/AgCl(503)、电极模块支架(504)、铂丝阳极(505)、移液管(506)以及移液管夹具(507)；所述电极模块支架(504)设置在六轴PI运动控制台(302)的上部；所述工作电极绝缘支架(502)通过磁铁吸附的方式安装在电极模块支架(504)上；所述工作电极(501)安装在工作电极绝缘支架(502)的内部正中心处；所述移液管夹具(507)与五轴移动滑台(303)的另一侧固定连接，移液管夹具(507)夹持移液管(506)；所述铂丝阳极(505)安装在移液管(506)的内部；所述参比电极Ag/AgCl(503)安装在移液管(506)内部；
所述恒电位仪模块(104)分别与工作电极(501)、参比电极Ag/AgCl(503)、以及铂丝阳极(505)电性连接；
所述移液管气压控制器(105)包括气压进给装置以及电解液贮存槽；所述电解液贮存槽贮存电解液，电解液贮存槽通过管路与移液管连接；所述气压进给装置与电解液贮存槽连接，气压进给装置与总控制系统(107)电性连接；
所述总控制系统(107)分别与摄像头(402)、精密定位控制器(103)、恒电位仪模块(104)、移液管气压控制器(105)以及宏观移动控制器(106)电性连接。
2.根据权利要求1所述的基于弯月面约束电沉积的增材制造装置，其特征是：所述控制系统框架车(102)的底部安装有滚轮。
3.基于弯月面约束电沉积的增材制造方法，应用权利要求1所述的基于弯月面约束电沉积的增材制造装置，其特征是：包括以下步骤，且以以下的步骤顺次进行，
步骤一：电沉积反应液的配置，配置标准为0.8M CuSO4溶液，置于电解液贮存槽中；
步骤二：准备镀铜硅晶圆作为工作电极(501)，镀层厚度为15nm，工作电极(501)的尺寸为20*20*1.2mm；
步骤三：利用丙酮溶液对工作电极(501)进行清洗，利用超声波清洗机对工作电极(501)浸没去离子水溶液清洗5分钟；
步骤四：将工作电极(501)固定在工作电极绝缘支架(502)上，用软头镊子轻微调整工作电极(501)，使工作电极(501)的上表面保持水平，手动调控六轴PI运动控制台(302)与五轴移动滑台(303)，使工作电极(501)的上表面与移液管(506)的竖直轴线保持垂直位置，完成初始手动定位；
步骤五：通过移液管气压控制器(105)控制气压和气量的大小推动所述步骤一制备的0.8M CuSO4溶液注入移液管(506)，至完全充满移液管(506)；
步骤六：在工作电极(501)上施加-0.5V的电压，总控制系统(107)控制X轴宏观移动模块(201)沿Z轴宏观移动模块(203)向下运动，带动移液管(506)向下移动，总控制系统(107)控制Z轴宏观移动模块(203)沿Y轴宏观移动模块(202)运动，带动移液管(506)移动至工作电极(501)正上方，完成二次自动定位，在保证室温25℃、环境湿度30％的同时，启动总控制系统(107)的按钮，开始进行增材制造；
步骤七：总控制系统(107)通过控制宏观移动控制器(106)从而控制增材制造运动平台(2)进行宏观运动，总控制系统(107)通过控制精密定位控制器(103)从而控制精密定位模块(3)运动，使移液管(506)逐渐接近工作电极(501)进行亚微米精度的增材制造；
步骤八：在亚微米精度的增材制造过程中，总控制系统(107)通过控制增材制造运动平台(2)和精密定位模块(3)从而控制移液管(506)的回退速度与增材沉积生长速度，使增材沉积保持一致，持续形成稳定的液桥，进而进行弯月面约束电沉积。
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