亞微米球頭電極制備裝置及方法
【專利摘要】一種亞微米球頭電極制備裝置及方法，屬精密微細(xì)制造、測量領(lǐng)域。本發(fā)明運用液膜脈沖電化學(xué)加工方法可制備出表面質(zhì)量好的亞微米探針，并在此基礎(chǔ)上，通過瞬間微放電熔融、冷凝過程制備出亞微米球頭工具電極。
【專利說明】亞微米球頭電極制備裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種亞微米球頭電極制備裝置及方法，屬精密微細(xì)制造、測量領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]MEMS技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)了產(chǎn)品向微型化、集成化、智能化的發(fā)展，對微加工工具電極和超微測量工具的需求日益增加。微球頭電極是指在探針尖端為微尺度球體的一種異型電極工具，其廣泛應(yīng)用于維納制造、微測量、細(xì)胞無損檢測、航空航天及微電子等【技術(shù)領(lǐng)域】。相比于其他類型的探針，微球頭電極在某些領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢，是一種比較理想的工具電極類型。如在微測量領(lǐng)域，微球頭探針工具可測量型腔側(cè)壁、深小孔等大深寬t匕、三維結(jié)構(gòu)。此外，在微納制造領(lǐng)域，微球頭電極工具可用來進(jìn)行多種方式的微納加工過程，如微細(xì)電火花加工、微細(xì)電化學(xué)加工等。
[0003]對于微球頭電極探針的制備，目前大多數(shù)采用組裝工藝，即采用焊接或粘接等工藝方法在探針的尖端組裝微球體，運用該方法可制備最小直徑為0.0125 mm的紅寶石球頭探針。但是組裝工藝目前還存在球體和探針主體的結(jié)合力難以控制，球體位置誤差，工藝過程復(fù)雜等諸多問題。此外，D.Y.Sheu等采用線電極放電磨削(WEDG)和單脈沖放電(OPED)技術(shù)組合工藝,制備出直徑最小可達(dá)IOMm的微球頭電極(D.Y.Sheu, Journal ofMicromechanics and Microengineering 15, 185-189 (2004).),但該方法由于探針表面存在放電凹坑、表面再鑄層等缺陷。微細(xì)電化學(xué)制造是基于陽極溶解原理的制造工藝，加工過程以離子的形式進(jìn)行，因此微細(xì)電化學(xué)加工方法具有加工精度高、加工過程不產(chǎn)生加工應(yīng)力、再鑄層的獨特優(yōu)勢。通過采用電化學(xué)刻蝕工藝，目前已制備出尖端曲率半徑僅為數(shù)十納米的工具電極。
[0004]綜上所述，目前的工藝水平可制備的微球頭電極的最小直徑約為10 Mffl，而對于亞微米級或是更小尺度的球頭工具電極的制備工藝鮮有研究。由于特征尺寸的限制，亞微米球頭電極探針很難通過常規(guī)方法進(jìn)行加工。亞微米球頭工具電極的成功制備，可減小可測量的最小尺寸和測量精度，并可以加工出尺寸更小、精度更高的維納結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步促進(jìn)MEMS技術(shù)的發(fā)展和實際應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對工具電極表面質(zhì)量較差和球頭直徑尺寸不能達(dá)到亞微米級等問題，提供一種亞微米球頭電極制備裝置及方法。
[0006]一種亞微米球頭電極制備裝置，其特征在于:包括主動隔振平臺、安裝于主動隔振平臺的多維精密移動平臺、安裝于多維精密移動平臺的電解槽、安裝于電解槽內(nèi)的電極收集裝置、水平安裝在電解槽上的圓環(huán)陰極；還包括安裝于機床立柱上的Z軸精密移動平臺、安裝于Z軸精密移動平臺的旋轉(zhuǎn)主軸、安裝于旋轉(zhuǎn)主軸的夾頭；還包括高頻脈沖電源、工控機、示波器、數(shù)據(jù)采集卡、CCD、視頻采集卡、PCI運動控制卡；高頻脈沖電源的正負(fù)極分別連接到導(dǎo)電滑塊和圓環(huán)陰極，其中導(dǎo)電滑塊的觸頭與夾頭接觸，電源正極通過導(dǎo)電滑塊和夾頭與微米級鎢絲連接；示波器采集電路電流，并通過數(shù)據(jù)采集卡將電流信號發(fā)送到工控機；CCD采集視頻信號，并通過視頻采集卡發(fā)送到工控機；工控機通過PCI運動控制卡將運動控制信號發(fā)送給多維精密移動平臺、Z軸精密移動平臺和旋轉(zhuǎn)主軸。
[0007]利用所述尖端放電亞微米工具電極自主成形方法及其裝置，其特征在于包括以下過程:步驟1、將微米級鎢絲安裝在夾頭中；其中所述微米級鎢絲直徑為100-300μπι，陰極圓環(huán)的直徑為6~10 μ m;步驟2、用滴管將堿性電解液滴在陰極圓環(huán)上形成液膜；其中液膜的厚度通過控制所滴于陰極圓環(huán)電解液的體積進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過視頻采集卡和CCD觀測其厚度，使液膜厚度為疒5mm ;步驟3、使微米級鎢絲穿過陰極圓環(huán)的中心，使陰極圓環(huán)下部的微米級鎢絲為rSmm，并使電極接收裝置處于微米級鎢絲的正下方；步驟4、高頻脈沖電源的正負(fù)極分別與微米級鎢絲和陰極圓環(huán)連接，接通電源并使微米級鎢絲在Z軸方向做往復(fù)直線運動；該步驟中高頻脈沖電源參數(shù)為:電壓:3飛V，脈寬:35~75μ S，周期:100-200μ s ;往復(fù)直線運動參數(shù)為:速度:0.5~I μ m/s，幅值:0.2~0.5mm;步驟5、高頻脈沖電源(0-330ΜΗΖ)提供電化學(xué)刻蝕加工所需的能量，使位于加工區(qū)域的微米級鎢絲的直徑不斷減小至亞微米級，最終由于下端部分的重力作用使陰極圓環(huán)以上部的鎢絲電極和以下部分?jǐn)嗔?，并使下部分電極脫落；當(dāng)電極上、下部分?jǐn)嗔?、分離的瞬間，在脈沖電源的作用下，在上下尖端之間形成強大的電場并使兩尖端之間的介質(zhì)被擊穿形成放電通道，放電所產(chǎn)生的瞬時高溫使電極尖端瞬間熔化，并在電解液表面張力的作用下在下部分電極的尖端迅速冷凝成亞微米級的微球頭；此外，在加工過程中，微米級鎢絲在Z軸方向沿陰極圓環(huán)的中心做直線往復(fù)運動，可實現(xiàn)電化學(xué)刻蝕加工區(qū)域不斷地、周期性的變換，經(jīng)過若干加工時間后，在加工區(qū)域內(nèi)的鎢絲直徑不斷縮小，從而保證了所制備的亞微米級微球頭工具電極具有一定長徑比的軸頸；當(dāng)亞微米級球頭工具電極探針形成后，其自動掉入電極接收裝置中。
[0008]本發(fā)明運用液膜脈沖電化學(xué)加工方法可制備出表面質(zhì)量好的亞微米探針，并在此基礎(chǔ)上，通過瞬間微放電熔融、冷凝過程制備出亞微米球頭工具電極。本方法是一種瞬間冷凝成球頭電極自主成形過程,可使球頭部分的材料性質(zhì)與基體保持一致,具有良好的機械性能，且不存在球頭與電極探針主體之間的結(jié)合力問題。本專利所發(fā)明工藝方法具有工藝連貫性好，操作簡單，精度高，可實施性強等優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是亞微米球頭電極制備裝置整體整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是脈沖液膜電化學(xué)加工原理示意圖；
圖3是微放電形成亞微米球頭電極原理示意圖；
圖4是制備的微球頭工具電極掃描電子顯微鏡照片；
圖中標(biāo)號名稱:1、主動隔振平臺，2、Y軸精密移動平臺，3、X軸精密移動平臺，4、電極接收裝置，5、圓環(huán)陰極，6、液膜，7、微米級鎢絲，8、夾頭，9、旋轉(zhuǎn)主軸，10、Z軸精密移動平臺，
11、高頻脈沖電源，12、示波器，13、數(shù)據(jù)采集卡，14、工控機，15、PCI運動控制卡，16、視頻采集卡，17、(XD，18、電解·槽，19、電解產(chǎn)物，20放電通道，21、亞微米微球頭工具電極，22、導(dǎo)電滑頭?！揪唧w實施方式】
[0010]根據(jù)圖1所示，本發(fā)明的用于亞微米球頭電極探針制備裝置主要包括PCI運動控制卡5、工控機14 ;還包括位于主動隔振平臺I上的Y軸精密移動平臺2和X軸精密移動平臺(3)，位于機床立柱上的Z軸精密移動平臺10 ;微米級鎢絲7裝夾在安裝于Z軸精密移動平臺10上的夾頭8上；水平安裝在電解槽18上的圓環(huán)陰極5，高頻脈沖電源11的正負(fù)極分別連接到微米級鎢絲7和圓環(huán)陰極5 ;通過示波器12采集電路電流，并通過數(shù)據(jù)采集卡13將電流信號發(fā)送到工控機14 ;此外還包括視頻采集卡16和(XD17。
[0011]圖2是液膜脈沖電化學(xué)加工原理圖，微米級鎢絲7位于圓環(huán)陰極5的中心，并在Z軸方向做直線往復(fù)運動。
[0012]圖3是亞微米球頭電極探針成型原理示意圖，在下端電極從上端電極斷裂、脫落瞬間，在上、下電極之間形成一個真空微放電通道20，下端電極前端部分由于高溫瞬時熔化，并在液體表面張力等力的作用下快速冷凝成亞微米球頭電極21。
[0013]圖4是所制備的典型亞微米級微球頭工具電極，其直徑可達(dá)780nm。
[0014]本發(fā)明專利“尖端放電亞微米球頭工具電極自主成形及其裝置”原理及過程:采用價格實惠、耐高溫、硬度高、綜合機械性能優(yōu)良，目前市場上可提供的直徑100-300μπι、純度99.95%的微米級鎢絲(Goodfellow)作為制備亞微米微球頭工具電極的材料。首先，將堿性電解液(如KOH溶液、NaOH溶液等)用滴管滴于圓環(huán)陰極上，電解在液體表面張力的作用下懸浮在陰極圓環(huán)中從而形成具有一定厚度(2-5mm)的液膜，液膜的橫截面呈拋物線形狀，然后將微米級鎢絲沿陰極圓環(huán)的中心位置穿過液膜，并使位于陰極圓環(huán)平面下的微米級鎢絲為一定的長度(一般為rSmm);其次，陰極圓環(huán)和微米級鎢絲分別接到高頻脈沖電源陰極和正極，在加工過程中鎢絲在Z軸方向做直線往復(fù)運動(速度:0.5、1μM，幅值:
0.2^0.5MM)，可實現(xiàn)電化學(xué)刻蝕加工區(qū)域不斷地、周期性的變換，經(jīng)過若干加工周期后，在加工區(qū)域內(nèi)的鎢絲直徑不斷減小。最后，當(dāng)加工區(qū)域鎢絲的直徑減小到一定值時，由于下端電極的重力作用，鎢絲在陰極圓環(huán)平面斷裂，并使下端電極與上端電極分離，在脈沖電源作用下，在上端、下端電極尖端之間產(chǎn)生很強的電場使尖端之間的電解液被瞬時被擊穿發(fā)生微放電現(xiàn)象。由于微放電作用產(chǎn)生的瞬時高溫，使電極尖端瞬間熔化并瞬間在表面張力等力的作用下時下端電極尖端瞬間冷凝成微球體，形成亞微米球頭工具電極。微球頭直徑的大小與尖端熔融部分體積有關(guān)，可通過控制微放電能量大小改變?yōu)榍蝾^大直徑，從而提高了該方法的可控性和通用性。圖4所示為所制備的直徑為780nm的亞微米級微微球頭工具電極，其試驗參數(shù)為:電壓4V，脈沖周期1 μ s，脈沖持續(xù)時間:20-40 μ s，運動速度1 μ m/s,運動幅值0.3~0.4mm。
【權(quán)利要求】
1.一種亞微米球頭電極制備裝置，其特征在于: 包括主動隔振平臺(I)、安裝于主動隔振平臺(I)的多維精密移動平臺、安裝于多維精密移動平臺的電解槽(18)、安裝于電解槽(18)內(nèi)的電極收集裝置(4)、水平安裝在電解槽(18)上的圓環(huán)陰極(5)； 還包括安裝于機床立柱上的Z軸精密移動平臺(10)、安裝于Z軸精密移動平臺(10)的旋轉(zhuǎn)主軸(9)、安裝于旋轉(zhuǎn)主軸(9)的夾頭(8)； 還包括高頻脈沖電源(11)、工控機(14)、示波器(12)、數(shù)據(jù)采集卡(13)、(XD( 17)、視頻采集卡(16)、PCI運動控制卡(15)； 高頻脈沖電源(11)的正負(fù)極分別連接到導(dǎo)電滑塊(22)和圓環(huán)陰極(5)，其中導(dǎo)電滑塊(22)的觸頭與夾頭(8)接觸，電源正極通過導(dǎo)電滑塊(22)和夾頭(8)與微米級鎢絲(7)連接；示波器(12)采集電路電流，并通過數(shù)據(jù)采集卡(13)將電流信號發(fā)送到工控機(14);(XD(17)采集視頻信號，并通過視頻采集卡(16)發(fā)送到工控機(14);工控機通過PCI運動控制卡(15)將運動控制信號發(fā)送給多維精密移動平臺、Z軸精密移動平臺(10)和旋轉(zhuǎn)主軸(9)。
2.利用權(quán)利要求1所述亞微米球頭電極制備裝置的亞微米球頭電極制備方法，其特征在于包括以下過程: 步驟1、將微米級鎢絲(7)安裝在夾頭(8)中；其中所述微米級鎢絲(7)直徑為100-300μπι，陰極圓環(huán)(5)的直徑為6~IOym ; 步驟2、用滴管將堿性電解液滴在陰極圓環(huán)(5)上形成液膜(6);其中液膜(6)的厚度通過控制所滴于陰極圓環(huán)(5)電解液的體積進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過視頻采集卡(16)和CXD (17)觀測其厚度，使液膜厚度為2~5mm ； 步驟3、使微米級鶴絲(7)穿過陰極圓環(huán)(5)的中心,使陰極圓環(huán)(5)下部的微米級鶴絲(7 )為rSmm，并使電極接收裝置(4 )處于微米級鎢絲(7 )的正下方； 步驟4、高頻脈沖電源(11)的正負(fù)極分別與微米級鎢絲(7)和陰極圓環(huán)(5)連接，接通電源并使微米級鎢絲(7)在Z軸方向做往復(fù)直線運動；該步驟中高頻脈沖電源(11)參數(shù)為:電壓:3~5V，脈寬:35~75 4 8，周期=100^200 μ s ;往復(fù)直線運動參數(shù)為:速度:0.5^1 μ m/s,幅值:0.2~0.5mm ； 步驟5、高頻脈沖電源提供電化學(xué)刻蝕加工所需的能量，使位于加工區(qū)域的微米級鎢絲(7)的直徑不斷減小至亞微米級，最終由于下端部分的重力作用使陰極圓環(huán)以上部的鎢絲電極和以下部分?jǐn)嗔?，并使下部分電極脫落；當(dāng)電極上、下部分?jǐn)嗔?、分離的瞬間，在脈沖電源的作用下，在上下尖端之間形成強大的電場并使兩尖端之間的介質(zhì)被擊穿形成放電通道，放電所產(chǎn)生的瞬時高溫使電極尖端瞬間熔化，并在電解液表面張力的作用下在下部分電極的尖端迅速冷凝成亞微米級的微球頭；此外，在加工過程中，微米級鎢絲在Z軸方向沿陰極圓環(huán)的中心做直線往復(fù)運動，可實現(xiàn)電化學(xué)刻蝕加工區(qū)域不斷地、周期性的變換，經(jīng)過若干加工時間后，在加工區(qū)域內(nèi)的鎢絲直徑不斷縮小，從而保證了所制備的亞微米級微球頭工具電極具有一定長徑比的軸頸；當(dāng)亞微米級球頭工具電極探針形成后，其自動掉入電極接收裝置(4)中。
【文檔編號】H01B13/00GK103680760SQ201310559159
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】曾永彬, 王玉峰, 曲寧松, 朱荻 申請人:南京航空航天大學(xué)