專利名稱：一種批量制備大縱橫比三維微結構的系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種批量制備大縱橫比三維微結構的系統。用于某些難加工金屬及其合金材料的精密加工、對加工質量性能有特殊要求的微加工場合(如表面光滑、無應力的加工等)、以及在金屬或半導體材料上快速批量加工微電極。
背景技術：
微光機電系統(Micro-Optical-Electro-MechanicalSystem，MOEMS)是微電子技術與機械、光學技術結合而產生的，是20世紀90年代初興起的微型智能系統。MOEMS研究中最活躍的領域是微細加工技術的研究。這些技術主要包括硅的體微加工技術、表面微加工技術、LIGA (X射線深處光刻、電鑄成型和塑鑄型)技術以及鍵合技術與犧牲層技術等。 但是這些技術的不足之處在于它們往往需要昂貴的設備和復雜的步驟，需要較長的制備周期，以及對加工材料的限制等。因此，有必要尋求低成本、簡單快速的微細加工技術。與其他的微細加工方法相比，電化學微加工具有可加工材料范圍廣、無宏觀加工作用力、加工表面質量好、無內應力、可實現批量加工和三維加工等諸多優點。近年來，隨著人們對電化學微加工技術研究的不斷深入，電解加工在許多方面取得了長足的進步。新型電源(如采用納秒級脈寬的超短脈沖電源)、有效的微小加工間隙的檢測和監控方法、性能優異的新型電解液(如超純水新型電解液)、各種復合加工方法(如超聲電解復合加工、激光輔助電化學微加工等)、運動進給方案、專用加工控制系統等方面的研究成果不斷涌現，已經使電解加工進入了微加工領域。但是，利用傳統的微電極進行加工，仍然存在許多問題，例如加工效率和精度不高、加工尺度不夠微細、加工穩定性不足。為此，本實用新型研究設計一種全新的微電極，提出了一種批量制備大縱橫比三維微結構的新技術，建立了一種批量制備大縱橫比三維微結構的技術裝備。采用將多個(三個或更多)該微電極并聯和分別用步進電機控制微電極Z向移動與加工基底XY向移動的方式，并通過CCD監控使得多個微電極和陰極基底之間的初始間隙保持一致，實現三維微結構的快速批量制備，滿足我國國民經濟和社會發展、科學技術及國防等領域的國家需求。
發明內容本實用新型的目的是克服現有技術的不足，提供一種批量制備大縱橫比三維微結構的系統。批量制備大縱橫比三維微結構的系統包括計算機、XY向步進移動平臺、Z向步進電機、CCD監控系統、三維微結構批量制備核心單元、電源及控制電路；計算機分別與XY向步進移動平臺、Z向步進電機、CCD監控系統相連接，三維微結構批量制備核心單元分別與電源及控制電路、XY向步進移動平臺、Z向步進電機、CCD監控系統相連接；三維微結構批量制備核心單元包括陽極微電極、防震平臺、XY向步進平移臺、電解液池、陰極基底、硫酸銅和硫酸的混合溶液、直流電源、限流電阻、滑動變阻器、Z向步進電機；在防震平臺上設有XY向步進平移臺、直流電源、Z向步進電機，在XY向步進平移臺上設有電解液池，在電解液池底部固定有陰極基底，在電解液池內部充滿硫酸銅和硫酸的混合溶液，在Z向步進電機上固定有陽極微電極。所述的陽極微電極包括第一玻璃毛細管、第一 Pt-Ir絲、第二玻璃毛細管、第二 Pt-Ir絲、第三玻璃毛細管、第三Pt-Ir絲；第一玻璃毛細管內插有第一 Pt-Ir絲，第二玻璃毛細管內插有第二 Pt-Ir絲，第三玻璃毛細管內插有第三Pt-Ir絲，第一 Pt-Ir絲、第二 Pt-Ir絲、第三Pt-Ir絲的一端相連。本實用新型的批量制備大縱橫比三維微結構的技術及系統，其優點是結構簡潔， 技術條件易于實現。克服了傳統微結構加工往往需要昂貴的設備和復雜的步驟、需要較長的制備周期、以及對加工材料的限制等問題，設計了一種新型的微電極解決了加工效率和精度不高、加工尺度不夠微細、加工穩定性不足等問題，可加工出縱橫比大均勻性好的三維微結構，通過將多個微電極并聯和分別用步進電機控制微電極Z向移動與加工基底XY向移動的方式實現了精確高效批量進行三維微結構的制備。可望在微納光學制造和加工領域得到廣泛應用。

圖1是批量制備大縱橫比三維微結構的系統方框圖；圖2是本實用新型的三維微結構批量制備核心單元的結構示意圖；圖3是本實用新型的陽極微電極結構示意圖；圖中陽極微電極1、防震平臺2、XY向步進平移臺3、電解液池4、陰極基底5、硫酸銅和硫酸的混合溶液6、直流電源7、限流電阻8、滑動變阻器9、Z向步進電機10、第一玻璃毛細管11、第一 Pt-Ir絲12、第二玻璃毛細管13、第二 Pt-Ir絲14、第三玻璃毛細管15、第三 Pt-Ir 絲 16。
具體實施方式
采用電化學沉積的方法，引入了一種微電極，該微電極是將Pt-Ir絲直接插入到玻璃毛細管中制成的，且末端與毛細管端口持平，通過CCD監控調整得到陰極基底和陽極微電極之間的3 5um初始間隙，并在加工過程中保持這個微小間隙，有效減少了雜散腐蝕的不利影響，增強陽極溶解的定域性，從而使成形加工的精度提高。將多個(三個或更多) 微電極的一端并聯然后連接步進電機控制微電極Z向移動，步進電機同時控制基底XY向移動，并通過CCD監控使得多個微電極和陰極基底之間的初始間隙保持一致，實現三維微結構的快速批量制備。如圖1、2所示，批量制備大縱橫比三維微結構的系統包括計算機、XY向步進移動平臺、ζ向步進電機、CCD監控系統、三維微結構批量制備核心單元、電源及控制電路；計算機分別與XY向步進移動平臺、Z向步進電機、CCD監控系統相連接，三維微結構批量制備核心單元分別與電源及控制電路、XY向步進移動平臺、Z向步進電機、CXD監控系統相連接；三維微結構批量制備核心單元包括陽極微電極1、防震平臺2、XY向步進平移臺3、電解液池4、 陰極基底5、硫酸銅和硫酸的混合溶液6、直流電源7、限流電阻8、滑動變阻器9、Ζ向步進電機10 ；在防震平臺2上設有XY向步進平移臺3、直流電源7、Ζ向步進電機10，在XY向步進平移臺3上設有電解液池4，在電解液池4底部固定有陰極基底5，在電解液池4內部充滿硫酸銅和硫酸的混合溶液6，在Z向步進電機10上固定有陽極微電極1。如圖3所示，陽極微電極1包括第一玻璃毛細管11、第一 Pt-Ir絲12、第二玻璃毛細管13、第二 Pt-Ir絲14、第三玻璃毛細管15、第三Pt-Ir絲16 ；第一玻璃毛細管11內插有第一 Pt-Ir絲12，第二玻璃毛細管13內插有第二 Pt-Ir絲14，第三玻璃毛細管15內插有第三Pt-Ir絲16，第一 Pt-Ir絲12、第二 Pt-Ir絲14、第三Pt-Ir絲16的一端相連。Pt-Ir 絲和玻璃毛細管末端基本持平，各玻璃毛細管在同一直線上，且末端也相互持平。陽極微電極由三個內部插有Pt-Ir絲的玻璃毛細管并列制成，其中不同直徑的 Pt-Ir絲可以制備得到不同線寬的三維微結構；用純度為99. 9%的銅片作為陰極基底，厚度為IOOmm長寬為IOmm XlOmm ；為了控制電化學雜散腐蝕和電解液的導電性以提高加工精度，選取濃度較低的0.5 M/L CuSO4 + 0.4 M/L H2SO4的混合溶液作為電解液；按照所要加工的三維微結構的線寬來控制電壓(0-5V)和Z向步進電機的移動速度。用直徑為IOOmm的Pt-Ir絲制成微電極，銅片固定在電解液池底部，陽極微電極固定在Z向步進電機上，并同時置于電解液中，通過CCD監控系統觀測調整好微電極和銅片之間的初始間隙。在電化學沉積的過程中，保持兩級間的微小間隙可以有效減少雜散腐蝕的不利影響，增強陽極溶解的定域性，從而使成形加工的精度提高。但同時如果加工間隙過小也會帶來一些問題，如加工時產生的電解產物將更難排出，很容易發生淤積與粘附，從而導致短路，影響加工過程的正常進行；另外也容易使級間出現微火花放電現象，產生不可控的放電蝕除，使加工精度和表面質量下降。為此，通過CCD監控系統觀測將三個初始間隙均調整為5mm左右。電壓和電流密度的調節通過改變滑動變阻器的阻值來實現，并相應的調節Z向步進電機的移動速度，使得微電極的上升速度和沉積速率基本保持一致，便可快速制備出一組銅微柱。電解液池固定在XY向步進平移臺上，微結構制備過程中保持XY向步進平移臺固定不動，在銅片表面某一區域加工出一組(三個)銅微柱后，移動XY向步進平移臺從而改變陽極微電極和陰極基底的相對位置，重復加工步驟，便能在銅片表面一新區域加工出另一組銅微柱。如此反復若干次，即可得到一組銅微柱陣列，實現三維微結構的快速批量制備。 利用該方法，加工時若使Z向步進電機和XY向步進平移臺同時移動，并通過計算機編程控制移動路徑和速度，可批量制備出各種所需形狀的三維微結構。微結構的線寬和縱橫比，主要由加工過程中各參數決定。Pt-Ir絲直徑取定時，線寬取決于Z向步進電機移動速度，縱橫比取決于加工時間，在一定范圍內，縱橫比隨加工時間增大而增大。本實用新型的技術指標是微結構線寬在1 IOOmm內可調，制備速度在 0. 1 10mm/S內可控，最大縱橫比可超過50:1，能同時快速制備多個微結構，達到了利用低成本簡單設備高效精確批量制備縱橫比大均勻性好的三維微結構的目標。
權利要求1.一種批量制備大縱橫比三維微結構的系統，其特征在于包括計算機、XY向步進移動平臺、ζ向步進電機、CCD監控系統、三維微結構批量制備核心單元、電源及控制電路；計算機分別與XY向步進移動平臺、Z向步進電機、CCD監控系統相連接，三維微結構批量制備核心單元分別與電源及控制電路、XY向步進移動平臺、Z向步進電機、C⑶監控系統相連接；三維微結構批量制備核心單元包括陽極微電極(1)、防震平臺(2)、XY向步進平移臺(3)、電解液池(4 )、陰極基底(5 )、硫酸銅和硫酸的混合溶液(6 )、直流電源(7 )、限流電阻(8 )、滑動變阻器(9)、Z向步進電機(10)；在防震平臺(2)上設有XY向步進平移臺(3)、直流電源(7)、 Z向步進電機(10)，在XY向步進平移臺(3)上設有電解液池(4)，在電解液池(4)底部固定有陰極基底(5)，在電解液池(4)內部充滿硫酸銅和硫酸的混合溶液(6)，在Z向步進電機 (10)上固定有陽極微電極(1)。
2.根據權利要求1所述的一種批量制備大縱橫比三維微結構的系統，其特征在于所述的陽極微電極(1)包括第一玻璃毛細管(11)、第一 Pt-Ir絲(12)、第二玻璃毛細管(13)、第二 Pt-Ir絲(14)、第三玻璃毛細管(15)、第三Pt-Ir絲(16)；第一玻璃毛細管(11)內插有第一 Pt-Ir絲(12)，第二玻璃毛細管(13)內插有第二 Pt-Ir絲(14)，第三玻璃毛細管(15) 內插有第三Pt-Ir絲(16)，第一 Pt-Ir絲(12)、第二 Pt-Ir絲(14)、第三Pt-Ir絲(16)的一端相連。
專利摘要本實用新型公開了一種批量制備大縱橫比三維微結構的系統。采用電化學沉積和分別用步進電機控制微電極Z向移動與加工基底XY向移動的方法，實現了各種不同三維微結構的快速批量制備。該系統具有相連接的計算機、XY向步進移動平臺、Z向步進電機、CCD監控系統、三維微結構批量制備核心單元、電源及控制電路。本實用新型采用的微電極解決了加工效率和精度不高、加工尺度不夠微細、加工穩定性不足等問題，可加工出縱橫比大均勻性好的三維微結構，同時通過將多個微電極并聯和分別用步進電機控制微電極Z向移動與加工基底XY向移動的方式實現了精確高效批量進行三維微結構的制備。
文檔編號B81C99/00GK202007125SQ20112001836
公開日2011年10月12日 申請日期2011年1月20日 優先權日2011年1月20日
發明者周雅各, 張冬仙, 章海軍 申請人:浙江大學