一種探針的制備方法及制備裝置的制造方法
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及探針的制備方法及制備裝置，特別是涉及一種亞微米級、大長徑比的探針的制備方法及制備裝置。
【【背景技術(shù)】】
[0002]微細(xì)探針廣泛應(yīng)用于掃描探針成像、多點(diǎn)接觸測量、微納操縱和電化學(xué)微加工等領(lǐng)域，針尖的尺寸和形狀直接決定了探針的使用性能和應(yīng)用范圍。以電化學(xué)微加工為例，目前使用的探針多為微細(xì)圓柱狀探針，通過探針與工件的相對運(yùn)動(dòng)，電化學(xué)銑削加工出所需零件，因此探針的尺寸與形狀直接決定了電化學(xué)微加工的加工精度和最小加工極限。
[0003]目前電化學(xué)微加工所使用的微細(xì)圓柱探針，一般通過電化學(xué)腐蝕方法制得。電化學(xué)腐蝕過程的具體細(xì)節(jié)各有不同，但是目前制得的圓柱探針尺寸都在3微米以上，無法用于亞微米或者納米級結(jié)構(gòu)的電化學(xué)微加工中。而由某些電化學(xué)腐蝕工藝制作的探針，雖然可將針尖加工到納米級，但是探針形貌為圓錐形，且長徑比較小，無法用于電化學(xué)微加工等加工深度較大的場合。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種探針的制備方法及制備裝置，制得的探針的形貌為圓柱狀，尺寸在亞微米級，且具有較大的長徑比。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下的技術(shù)方案予以解決:
[0006]一種探針的制備方法，包括以下步驟:1)將金屬絲浸入電腐蝕溶液中；其中，所述電腐蝕溶液裝在石墨材料制成的容器中，或者所述電腐蝕溶液中放置有環(huán)繞所述金屬絲的圓筒狀石墨電極，所述石墨電極高出液面；其中，所述石墨材料制成的容器的直徑或者所述圓筒狀的石墨電極的直徑為20?75mm ;2)在所述金屬絲和所述容器之間，或者在所述金屬絲和所述圓筒狀石墨電極之間按照如下方式施加電壓:先施加30?45V的第一正弦交流電壓，施加時(shí)間確保所述金屬絲浸入液面下的部分的腐蝕速度為1/30?l/20mm/s ;然后施加15?25V的第二正弦交流電壓，施加時(shí)間直至腐蝕反應(yīng)結(jié)束；3)將處理后的所述金屬絲提拉脫離液面，完成探針的制備。
[0007]一種探針的制備裝置，包括電解池、位移臺、交流電壓源和控制電路；所述電解池為直徑為20?75mm的石墨材料制成的容器，用于裝入電腐蝕溶液；所述位移臺用于固定住制備原料金屬絲，且可調(diào)節(jié)使所述金屬絲浸于所述電腐蝕溶液中；所述交流電壓源的一輸出端連接所述金屬絲，另一輸出端連接所述容器，控制信號接收端連接所述控制電路；所述控制電路用于控制所述交流電壓源先輸出30?45V的第一正弦交流電壓，持續(xù)時(shí)間確保所述金屬絲浸入液面下的部分的腐蝕速度為1/30?l/20mm/s ;然后輸出15?25V的第二正弦交流電壓，持續(xù)時(shí)間直至腐蝕反應(yīng)結(jié)束。
[0008]一種探針的制備裝置，包括電解池、圓筒狀石墨電極、位移臺、交流電壓源和控制電路；所述電解池用于裝入電腐蝕溶液；所述位移臺用于固定住制備原料金屬絲，且可調(diào)節(jié)使所述金屬絲浸于所述電腐蝕溶液中；所述圓筒狀石墨電極的直徑為20?75mm，放置在所述電腐蝕溶液中，且環(huán)繞所述金屬絲設(shè)置；所述交流電壓源的一輸出端連接所述金屬絲，另一輸出端連接所述圓筒狀石墨電極，控制信號接收端連接所述控制電路；所述控制電路用于控制所述交流電壓源先輸出30?45V的第一正弦交流電壓，持續(xù)時(shí)間確保所述金屬絲浸入液面下的部分的腐蝕速度為1/30?l/20mm/s ;然后輸出15?25V的第二正弦交流電壓，持續(xù)時(shí)間直至腐蝕反應(yīng)結(jié)束。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比的有益效果是:
[0010]本發(fā)明的探針的制備方法及制備裝置，將導(dǎo)電金屬絲置于圓筒狀的石墨電極中或者圓筒狀的石墨材料制成的容器中，浸入電化學(xué)腐蝕溶液中，采用交流電腐蝕方法，在腐蝕過程中經(jīng)過兩步高低電壓的腐蝕狀態(tài)，并嚴(yán)格控制電壓大小和腐蝕時(shí)間，從而將所述導(dǎo)電金屬絲腐蝕成大長徑比，亞微米尺度的圓柱狀探針。經(jīng)測試，制得的探針的長徑比在20?50 (現(xiàn)有微米級以下的探針的長徑比一般小于10)，尺寸在500nm?I μ m。本發(fā)明可迅速、方便地實(shí)現(xiàn)亞微米級大長徑比的圓柱形探針的制作，制備工藝方法簡單，成本低，并可進(jìn)行批量生產(chǎn)。采用本發(fā)明制備的圓柱形探針的尺寸只與電化學(xué)腐蝕施加電壓及時(shí)間有關(guān)，與加工過程中設(shè)備精度無關(guān)，相對于現(xiàn)有的某些制備方法中需嚴(yán)格控制兩電極之間的相對位移等精度，本發(fā)明可便于控制制備出用于高深寬比微納米結(jié)構(gòu)電化學(xué)微加工中的圓柱探針。
【【附圖說明】】
[0011]圖1是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的探針的制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的實(shí)施例1中制得的探針的掃描電鏡圖；
[0013]圖3是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的實(shí)施例2中制得的探針的掃描電鏡圖。
【【具體實(shí)施方式】】
[0014]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】并對照附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0015]如圖1所示，一種用于制備亞微米級、大長徑、圓柱形探針的制備裝置，包括:電解池5，位移臺1，可調(diào)交流電源3和控制電路(圖中未示出)。
[0016]其中，電解池5用于盛裝電腐蝕溶液4。電腐蝕溶液4可以為由氯化鈣、氯化鈉、氫氧化鈉、氫氧化鉀等電解質(zhì)材料配置的電解溶液。電解池5采用石墨材料制成的直徑為20?75mm的容器，例如石墨坩禍，優(yōu)選地，選用高純石墨坩禍。石墨容器的直徑為20?75mm，如低于20mm或者高于75mm，將無法制得符合要求的探針。在本【具體實(shí)施方式】中，電解池5既是作為盛裝容器，同時(shí)作為對電極使用。
[0017]位移臺I用于固定住導(dǎo)電金屬絲2，優(yōu)選導(dǎo)電金屬絲2置于電解池5的中心位置，垂直于電解液4液面。導(dǎo)電金屬絲2可為鶴、鉬等金屬材料，優(yōu)選地，導(dǎo)電金屬絲2直徑為0.1 ?Imm0
[0018]可調(diào)交流電源3，可調(diào)交流電源3在控制電路的控制下，對導(dǎo)電金屬絲2與電解池5之間施加正弦交流電壓，使得電解液4將導(dǎo)電金屬絲2逐步腐蝕成大長徑比圓柱探針。
[0019]控制電路用于控制整個(gè)電化學(xué)腐蝕分為兩個(gè)階段:第一階段，控制可調(diào)交流電源3輸出正弦交流電壓U1，正弦交流電壓Ul的有效值在30?45V，持續(xù)加工一段時(shí)間Tl ;第二階段，控制可調(diào)交流電源3輸出正弦交流電壓U2，正弦交流電壓U2的有效值在15?25V,直至腐蝕反應(yīng)結(jié)束。其中，可調(diào)交流電源3每個(gè)階段持續(xù)時(shí)間和切換電壓由控制電路控制自動(dòng)完成。Ul的持續(xù)時(shí)間Tl根據(jù)金屬絲浸入液面下的部分的長度來確定，以確保所述金屬絲浸入液面下的部分的腐蝕速度為1/20?l/30mm/s。例如，金屬絲浸入液面下的部分的長度為3mm，則第一正弦交流電壓的持續(xù)時(shí)間Tl為60?90s。
[0020]通過上述制備裝置，導(dǎo)電金屬絲置于石墨材料制成的容器中，浸入電化學(xué)腐蝕溶液中，采用交流電腐蝕方法，在腐蝕過程中經(jīng)過兩步高低電壓的腐蝕狀態(tài)，并嚴(yán)格控制電壓大小和腐蝕時(shí)間，使得第一階段發(fā)生電化學(xué)+電火花雙重腐蝕，第二階段僅發(fā)生電化學(xué)腐蝕，且環(huán)繞的圓筒石墨材料容器確保金屬絲在兩階段的腐蝕均勻完成，最終將所述導(dǎo)電金屬絲腐蝕成大長徑比，亞微米尺度的圓柱狀探針。
[0021]上述實(shí)施方式中，采用石墨材料制成的容器既發(fā)揮盛裝容器的作用，又發(fā)揮對電極的作用?？商娲姆桨甘?，容器選用普通的容器，然后使用直徑為20?75mm的圓筒狀的石墨電極直接發(fā)揮對電極的作用，相應(yīng)地，施加的交流電壓則施加在金屬絲和圓筒狀石墨電極之間。通過該替代方案，也可制得大長徑比，亞微米尺度的圓柱狀探針。
[0022]優(yōu)選地，上述石墨材料制成的容器或者圓筒狀的石墨電極的直徑為20?40mm，當(dāng)在該范圍內(nèi)時(shí)，相對于其他尺寸的石墨容器或者石墨電極，制得的探針的形貌