[发明专利]一种批量制备大纵横比三维微结构的方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种批量制备大纵横比三维微结构的方法及系统。用于某些难加工金属及其合金材料的精密加工、对加工质量性能有特殊要求的微加工场合(如表面光滑、无应力的加工等)、以及在金属或半导体材料上快速批量加工微电极。

背景技术

微光机电系统（Micro-Optical-Electro-Mechanical System，MOEMS）是微电子技术与机械、光学技术结合而产生的，是20世纪90年代初兴起的微型智能系统。MOEMS研究中最活跃的领域是微细加工技术的研究。这些技术主要包括硅的体微加工技术、表面微加工技术、LIGA（X射线深处光刻、电铸成型和塑铸型）技术以及键合技术与牺牲层技术等。但是这些技术的不足之处在于它们往往需要昂贵的设备和复杂的步骤，需要较长的制备周期，以及对加工材料的限制等。因此，有必要寻求低成本、简单快速的微细加工技术。

与其他的微细加工方法相比，电化学微加工具有可加工材料范围广、无宏观加工作用力、加工表面质量好、无内应力、可实现批量加工和三维加工等诸多优点。近年来，随着人们对电化学微加工技术研究的不断深入，电解加工在许多方面取得了长足的进步。新型电源（如采用纳秒级脉宽的超短脉冲电源）、有效的微小加工间隙的检测和监控方法、性能优异的新型电解液（如超纯水新型电解液）、各种复合加工方法（如超声电解复合加工、激光辅助电化学微加工等）、运动进给方案、专用加工控制系统等方面的研究成果不断涌现，已经使电解加工进入了微加工领域。

但是，利用传统的微电极进行加工，仍然存在许多问题，例如加工效率和精度不高、加工尺度不够微细、加工稳定性不足。为此，本发明研究设计一种全新的微电极，提出了一种批量制备大纵横比三维微结构的新技术，建立了一种批量制备大纵横比三维微结构的技术装备。采用将多个（三个或更多）该微电极并联和分别用步进电机控制微电极Z向移动与加工基底XY向移动的方式，并通过CCD监控使得多个微电极和阴极基底之间的初始间隙保持一致，实现三维微结构的快速批量制备，满足我国国民经济和社会发展、科学技术及国防等领域的国家需求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种批量制备大纵横比三维微结构的方法及系统。

批量制备大纵横比三维微结构的方法是采用电化学沉积的方法，引入了一种微电极，该微电极是将Pt-Ir丝直接插入到玻璃毛细管中制成的，且末端与毛细管端口持平，通过CCD监控调整得到阴极基底和阳极微电极之间的3～5um初始间隙，将多个微电极的一端并联然后连接步进电机控制微电极Z向移动，步进电机同时控制基底XY向移动，并通过CCD监控使得多个微电极和阴极基底之间的初始间隙保持一致，实现三维微结构的快速批量制备。

批量制备大纵横比三维微结构的系统包括计算机、XY向步进移动平台、Z向步进电机、CCD监控系统、三维微结构批量制备核心单元、电源及控制电路；计算机分别与XY向步进移动平台、Z向步进电机、CCD监控系统相连接，三维微结构批量制备核心单元分别与电源及控制电路、XY向步进移动平台、Z向步进电机、CCD监控系统相连接；三维微结构批量制备核心单元包括阳极微电极、防震平台、XY向步进平移台、电解液池、阴极基底、硫酸铜和硫酸的混合溶液、直流电源、限流电阻、滑动变阻器、Z向步进电机；在防震平台上设有XY向步进平移台、直流电源、Z向步进电机，在XY向步进平移台上设有电解液池，在电解液池底部固定有阴极基底，在电解液池内部充满硫酸铜和硫酸的混合溶液，在Z向步进电机上固定有阳极微电极。

所述的阳极微电极包括第一玻璃毛细管、第一Pt-Ir丝、第二玻璃毛细管、第二Pt-Ir丝、第三玻璃毛细管、第三Pt-Ir丝；第一玻璃毛细管内插有第一Pt-Ir丝，第二玻璃毛细管内插有第二Pt-Ir丝，第三玻璃毛细管内插有第三Pt-Ir丝，第一Pt-Ir丝、第二Pt-Ir丝、第三Pt-Ir丝的一端相连。

本发明的批量制备大纵横比三维微结构的技术及系统，其优点是结构简洁，技术条件易于实现。克服了传统微结构加工往往需要昂贵的设备和复杂的步骤、需要较长的制备周期、以及对加工材料的限制等问题，设计了一种新型的微电极解决了加工效率和精度不高、加工尺度不够微细、加工稳定性不足等问题，可加工出纵横比大均匀性好的三维微结构，通过将多个微电极并联和分别用步进电机控制微电极Z向移动与加工基底XY向移动的方式实现了精确高效批量进行三维微结构的制备。可望在微纳光学制造和加工领域得到广泛应用。

附图说明

图１是批量制备大纵横比三维微结构的系统方框图；

图2是本发明的三维微结构批量制备核心单元的结构示意图；