基于中空AFM探针定域电沉积的增材制造装置及方法，属于增材制造技术领域，包括隔振系统、增材制造装置主体、清洗缓冲液单元、精密定位系统、监测系统以及电极单元，本发明专利技术利用中空AFM探针定域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AFM悬臂的高精度力控制技术解放了Z轴高定位精度的压力，解决了高移动位移精度与防治堵塞和短路的耦合矛盾，真正意义上实现亚微米级金属三维悬臂结构的正向微增材制造，通过定域电化学技术整合微流体技术与AFM探针技术，完成电场定域性向给液定域性的转变，改变了无限缩小阳极尺寸的不切实际的想法，从而更加容易的实现了高定域性沉积。
【技术实现步骤摘要】
基于中空AFM探针定域电沉积的增材制造装置及方法
本专利技术属于增材制造
，特别是涉及到一种基于中空AFM探针定域电沉积的增材制造装置及方法。
技术介绍
电化学沉积制造技术是基于电化学阴极沉积原理的一种技术，是将惰性金属盐溶液中的金属离子通过电化学的还原反应成金属原子。定域电化学沉积技术原理简单，操作方便，无需惰性气体环境或者真空环境，没有热残余应力，无需后续退火处理。定域电化学沉积技术的发展是得益于电极制造技术的发展。电极从开始的实心金属电极，电极直径逐渐减小，提高金属沉积的定域性；在金属电极尺寸难以再进一步缩小之后，研究人员调整研究方向，从实心金属电极转移到空心的毛细玻璃管电极，毛细玻璃管的制作工艺可以制作内孔直径非常小的电极，中空电极从单一孔向两孔或者三孔进行演化；基于阳极电极尺寸进行定域电沉积的技术严重受限于阳极微电机的定位精度和重复定位精度；通过AFM显微镜的快速发展，研究人员通过压力控制金属盐溶液流出AFM悬臂到达AFM探针尖端进行定域给液。利用中空AFM探针技术就是讲AFM技术与微流体技术的结合技术，最早应用于细胞操纵，细胞分离，细胞跟踪标记等生物领域，随着技术的发展，该项技术成功应用于惰性金属的定域沉积过程之中。该项技术实现了金属电解液的定域给液，在探针头孔径在50nm的条件下，沉积体的最小沉积直径在1μm以下。真正可以做到亚微米级无掩模正向增材制造技术。现有三维金属微小结构的增材制造技术，主要集中在LIGA，选择性激光熔融技术，电子束熔化法，电化学打印技术，弯月形约束电沉积技术，定域电化学沉积等多种技术。但是，这些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，有的需要严苛的硬件微移动分辨率，有的不能实现真正的定域性加工等多种限制方式。因此，当前亟需一种无掩模高定域性的电化学沉积微增材制造技术，来解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供基于中空AFM探针定域电沉积的增材制造装置及方法，利用中空AFM探针定域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AFM悬臂的高精度力控制技术解放了Z轴高定位精度的压力，解决了高移动位移精度与防治堵塞和短路的耦合矛盾。基于中空AFM探针定域电沉积的增材制造装置，其特征是：包括隔振系统、增材制造装置主体、清洗缓冲液单元、精密定位系统、监测系统以及电极单元，所述隔振系统包括隔振操作平台、控制系统框架车、中空AFM悬臂气压控制系统、恒电位仪系统以及总控制系统，所述隔振操作平台为装置基座；所述控制系统框架车设置在隔振操作平台的下部；所述中空AFM悬臂气压控制系统和恒电位仪系统设置在控制系统框架车内部上层；所述总控制系统设置在控制系统框架车内部下层；所述增材制造装置主体为矩形壳体，壳体内部两侧沿长边设置有X轴宏观移动系统；所述清洗缓冲液单元包括清洗缓冲液移动单元和清洗缓冲液槽，清洗缓冲液单元移动单元设置在X轴宏观移动系统上，所述清洗缓冲液槽为矩形，内部设置有三个以上圆形槽，清洗缓冲液槽设置在清洗缓冲液单元移动单元上；所述精密定位系统包括Y轴移动导轨、Y轴移动单元、X轴移动导轨、X轴移动单元、精密Z轴系统以及Z轴系统外壳，X轴移动导轨设置在X轴宏观移动系统外侧，且与其平行；所述X轴移动单元设置在X轴移动导轨上；所述Y轴移动导轨水平方向垂直设置在X轴移动单元上；所述Y轴移动单元设置在Y轴移动导轨上；所述精密Z轴系统设置在Y轴移动单元上；所述Z轴系统外壳设置在精密Z轴系统的外部；所述监测系统包括顶视摄像头架，顶视摄像头以及底视摄像头，所述顶视摄像头架设置在Z轴系统外壳的外侧，所述顶视摄像头通过螺栓固定设置在顶视摄像头架内部；所述底视摄像头设置在精密Z轴系统的下方；所述电极单元包括工作电极、工作电极绝缘支架、参比电极Ag/AgCl、电极单元支架、碳纤维阳极以及中空AFM探头；所述电极单元支架设置在X轴宏观移动系统上；所述工作电极绝缘支架通过安装的方式安装在电极单元支架上；所述碳纤维阳极安装在电极单元支架上；所述工作电极安装在工作电极绝缘支架的正中心；所述中空AFM探头设置在精密Z轴系统的最下端。所述中空AFM悬臂气压控制系统与精密Z轴系统连接，控制金属离子溶液挤出。所述清洗缓冲液槽的圆形槽内部设置液体，用于在打印过程中清洗中空AFM探头和打印过程中缓冲液需求。所述控制系统框架车的底部下侧面四角设置有滚轮。基于中空AFM探针定域电沉积的增材制造方法，其特征是：应用所述的基于中空AFM探针定域电沉积的增材制造装置，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，步骤一、配置0.8MCuSO4溶液100ml，配置PH为3的0.5MH2SO4溶液，备用；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、将工作电极通过螺栓安装在工作电极绝缘支架上，调整工作电极的上表面与中空AFM探头的竖直轴线垂直；步骤五、在碳纤维阳极槽内注入所述步骤一制备的0.5MH2SO4溶液，至完全浸没工作电极；步骤六、在中空AFM探头注入所述步骤一制备的0.8MCuSO4溶液；步骤七、在清洗缓冲液槽其中一个槽内注入一半槽体体积的去离子水，一个槽内注入一半槽体体积的0.5MH2SO4溶液；步骤八、将中空AFM探头进入到装有去离子水的清洗缓冲液槽中，通过中空AFM悬臂气压控制系统控制气压和气量的大小推动CuSO4溶液填满中空AFM探头的悬臂，并且检查中空AFM探头孔的溶液通过性；步骤九、将电极单元移动到中空AFM探头的正下方，进行增材制造；步骤十、通过宏观和微观调节精密Z轴系统使中空AFM探头逐渐接近工作电极；步骤十一、进行亚微米精度的增材制造，通过中空AFM探头的悬臂精密感知原子力的存在，进行下一位置的定域电沉积过程。所述步骤十一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，金属离子通过电化学的作用还原为金属原子进入到金属晶格之中形成金属固体。通过上述设计方案，本专利技术可以带来如下有益效果：基于中空AFM探针定域电沉积的增材制造装置及方法，真正意义上实现亚微米级金属三维悬臂结构的正向微增材制造，通过定域电化学技术整合微流体技术与AFM探针技术，完成电场定域性向给液定域性的转变，改变了无限缩小阳极尺寸的不切实际的想法，从而更加容易的实现了高定域性沉积。本专利技术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、利用中空AFM探针定域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AFM悬臂的高精度力控制技术解放了Z轴高定位精度的压力，克服了高移动位移精度硬件的要求。3、无需苛刻的环境要求(真空环境或者惰性气体环境)。4、微增材本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于中空AFM探针定域电沉积的增材制造装置，其特征是：包括隔振系统(1)、增材制造装置主体(2)、清洗缓冲液单元(3)、精密定位系统(4)、监测系统(5)以及电极单元(6)，/n所述隔振系统(1)包括隔振操作平台(101)、控制系统框架车(102)、中空AFM悬臂气压控制系统(103)、恒电位仪系统(104)以及总控制系统(105)，所述隔振操作平台(101)为装置基座；所述控制系统框架车(102)设置在隔振操作平台(101)的下部；所述中空AFM悬臂气压控制系统(103)和恒电位仪系统(104)设置在控制系统框架车(102)内部上层；所述总控制系统(105)设置在控制系统框架车(102)内部下层；/n所述增材制造装置主体(2)为矩形壳体，壳体内部两侧沿长边设置有X轴宏观移动系统(201)；/n所述清洗缓冲液单元(3)包括清洗缓冲液移动单元(301)和清洗缓冲液槽(302)，清洗缓冲液移动单元(301)设置在X轴宏观移动系统(201)上，所述清洗缓冲液槽(302)为矩形，内部设置有三个以上圆形槽，清洗缓冲液槽(302)设置在清洗缓冲液移动单元(301)上；/n所述精密定位系统(4)包括Y轴移动导轨(401)、Y轴移动单元(402)、X轴移动导轨(403)、X轴移动单元(404)、精密Z轴系统(405)以及Z轴系统外壳(406)，X轴移动导轨(403)设置在X轴宏观移动系统(201)外侧，且与其平行；所述X轴移动单元(404)设置在X轴移动导轨(403)上；所述Y轴移动导轨(401)水平方向垂直设置在X轴移动单元(404)上；所述Y轴移动单元(402)设置在Y轴移动导轨(401)上；所述精密Z轴系统(405)设置在Y轴移动单元(402)上；所述Z轴系统外壳(406)设置在精密Z轴系统(405)的外部；/n所述监测系统(5)包括顶视摄像头架(501)，顶视摄像头(502)以及底视摄像头(503)，所述顶视摄像头架(501)设置在Z轴系统外壳(406)的外侧，所述顶视摄像头(502)通过螺栓固定设置在顶视摄像头架(501)内部；所述底视摄像头(503)设置在精密Z轴系统(405)的下方；/n所述电极单元(6)包括工作电极(601)、工作电极绝缘支架(602)、参比电极Ag/AgCl(603)、电极单元支架(604)、碳纤维阳极(605)以及中空AFM探头(606)；所述电极单元支架(604)设置在X轴宏观移动系统(201)上；所述工作电极绝缘支架(602)通过安装的方式安装在电极单元支架(604)上；所述碳纤维阳极(605)安装在电极单元支架(604)上；所述工作电极(601)安装在工作电极绝缘支架(602)的正中心；所述中空AFM探头(606)设置在精密Z轴系统(405)的最下端。/n...
【技术特征摘要】
1.基于中空AFM探针定域电沉积的增材制造装置，其特征是：包括隔振系统(1)、增材制造装置主体(2)、清洗缓冲液单元(3)、精密定位系统(4)、监测系统(5)以及电极单元(6)，
所述隔振系统(1)包括隔振操作平台(101)、控制系统框架车(102)、中空AFM悬臂气压控制系统(103)、恒电位仪系统(104)以及总控制系统(105)，所述隔振操作平台(101)为装置基座；所述控制系统框架车(102)设置在隔振操作平台(101)的下部；所述中空AFM悬臂气压控制系统(103)和恒电位仪系统(104)设置在控制系统框架车(102)内部上层；所述总控制系统(105)设置在控制系统框架车(102)内部下层；
所述增材制造装置主体(2)为矩形壳体，壳体内部两侧沿长边设置有X轴宏观移动系统(201)；
所述清洗缓冲液单元(3)包括清洗缓冲液移动单元(301)和清洗缓冲液槽(302)，清洗缓冲液移动单元(301)设置在X轴宏观移动系统(201)上，所述清洗缓冲液槽(302)为矩形，内部设置有三个以上圆形槽，清洗缓冲液槽(302)设置在清洗缓冲液移动单元(301)上；
所述精密定位系统(4)包括Y轴移动导轨(401)、Y轴移动单元(402)、X轴移动导轨(403)、X轴移动单元(404)、精密Z轴系统(405)以及Z轴系统外壳(406)，X轴移动导轨(403)设置在X轴宏观移动系统(201)外侧，且与其平行；所述X轴移动单元(404)设置在X轴移动导轨(403)上；所述Y轴移动导轨(401)水平方向垂直设置在X轴移动单元(404)上；所述Y轴移动单元(402)设置在Y轴移动导轨(401)上；所述精密Z轴系统(405)设置在Y轴移动单元(402)上；所述Z轴系统外壳(406)设置在精密Z轴系统(405)的外部；
所述监测系统(5)包括顶视摄像头架(501)，顶视摄像头(502)以及底视摄像头(503)，所述顶视摄像头架(501)设置在Z轴系统外壳(406)的外侧，所述顶视摄像头(502)通过螺栓固定设置在顶视摄像头架(501)内部；所述底视摄像头(503)设置在精密Z轴系统(405)的下方；
所述电极单元(6)包括工作电极(601)、工作电极绝缘支架(602)、参比电极Ag/AgCl(603)、电极单元支架(604)、碳纤维阳极(605)以及中空AFM探头(606)；所述电极单元支架(604)设置在X轴宏观移动系统(201)上；所述工作电极绝缘支架(602)通过安装的方式安装在电极单元支架(604)上；所述碳纤维阳极(605)安装在电极单元支架(604)上；所述工作电极(601)安装在工作电极绝缘支架(602)的正中心；所述中空AFM探头(606)设置在精密Z轴系统(405)的最下端。
【专利技术属性】
技术研发人员：任万飞，许金凯，于化东，于占江，孙晓晴，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22
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