弯液面约束电沉积微区湿度控制装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术弯液面约束电沉积微区湿度控制装置及其使用方法，属于定域电化学沉积技术领域，包括湿度控制系统、喷管系统及阴极系统，使用方法包括步骤一、阴极系统准备、步骤二、喷管系统准备、步骤三、安装喷管系统、步骤四、准备加湿室、步骤五、准备工作室、步骤六、连接加湿室与工作室、步骤七、沉积操作及步骤八、沉积完成，取出样件；本申请采用加湿室和工作室的双结构并安装蛇形缓冲板，使得沉积过程中金属阳离子的浓度均衡，沉积速率稳定，获得高质量的微纳结构件；加湿器、加湿室及工作室之间的管道上均设置有湿空气气体泵和气体流量计，可以精确控制流入气体的流量和流速；对工作室设置两个相对的进气口可以使气流更能平缓的进入到沉积区域。到沉积区域。到沉积区域。

【技术实现步骤摘要】
弯液面约束电沉积微区湿度控制装置及其使用方法


[0001]本专利技术属于定域电化学沉积
，具体涉及到一种弯液面约束电沉积微区湿度控制装置及方法。

技术介绍

[0002]弯液面约束电沉积技术由于沉积只发生在阴极与阳极形成的微液桥回路区域，具有极强的定域性，该技术沉积条件限制少且可实现导电基底任意位置沉积，能够制造具有大长径比、低线宽、空间复杂的三维金属微结构等优点，受到国内外研究人员的广泛关注；然而在制造过程中，微小结构件的形貌和生长速度极易受到环境湿度变化的影响。由于探针尖端与导电基底之间形成的弯液桥具有很大的面比表面积，当其暴露在空气中会由于表面水分的蒸发而形成对流，最终导致边缘的铜离子浓度高于中心的铜离子浓度，形成局部溶液的浓度梯度，这对于确定沉积结构的形态和密度非常重要。在弯液面约束电沉积过程中，如果环境的相对湿度太高，蒸发速率减慢将驱动内部对流和离子扩散的速度降低，导致沉积区域的铜离子不能及时地得到补充，铜沉积速率也会随之减慢，而且可能还会出现水分在微移液管尖端和导电基底表面上冷凝，最终会导致沉积的质量变差。如果相对湿度太低，弯液桥表面的水分将快速蒸发，可能会在喷嘴处形成结晶，堵塞微移液管影响进一步沉积。因此，对沉积微区湿度控制十分必要。
[0003]弯液面约束电沉积环境湿度控制方法：Hu提出将弯液面约束电沉积整体设备放置在大的手套箱中进行湿度控制，但该方法存在较大的滞后，整个区域湿度的均匀性很难保证，使得沉积微区附近的湿度变化不可预测，而且所有运动控制组件长时间处于湿度环境中，控制精度将大幅下降，使用寿命也会降低。基于以上原因，将手套箱改小，使其只放置在沉积区域位置，但该方法通过单方向小气流的导入与导出可能需要较长时间才可达到所需湿度的设定值并均匀填充。Fan在环境湿度对液滴蒸发及颗粒沉积的影响机制中，采用两个腔室对液滴所在的局部区域进行湿度调控，但整个过程中的气流扰动较大。Soheil Daryadelzai在定域脉冲电沉积工艺用于金属结构的纳米三维印刷中通过柔性塑料袋将沉积区域进行密封，保证该区域的湿度，但该方法对于位置移动和更换样件十分不方便。
[0004]因此需要一种有针对性的湿度控制装置及方法，用于解决上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是：提供弯液面约束电沉积微区湿度控制装置，解决现有技术中环境湿度对弯液面约束电沉积微纳结构制造效率和质量的问题；
[0006]一种弯液面约束电沉积微区湿度控制装置，其特征是：包括湿度控制系统、喷管系统及阴极系统；
[0007]所述湿度控制系统包括加湿器、加湿室、工作室及Z向微位移执行器；
[0008]所述加湿器、加湿室及工作室顺次连接；所述加湿器通过管道与加湿室连接，所述管道上依次设置有第一湿空气气泵及第一气体流量计，且所述加湿室内壁设置有一个以上
的第一无线温湿度传感器；加湿室通过管路系统与工作室连接，所述管路系统包括一个输入管道和两个输出管道，所述输入管道上设置有第二湿空气气泵，所述两个输出管道上分别设置有第二气体流量计及第三气体流量计；
[0009]所述工作室内腔规律设置有一个以上的蛇形缓冲板，且工作室内腔还固定设置有阴极系统；所述工作室顶盖上设置有Z向微位移执行器，所述Z向微位移执行器上设置有喷管系统，且喷管系统的端部通过工作室顶盖的开口进入工作室的内腔，并与阴极系统的位置相互适配；
[0010]所述喷管系统包括喷管、铂丝及微移液管，所述喷管与微移液管螺纹连接，且所述喷管内设置有铂丝；
[0011]所述阴极系统包括阴极支撑架、第二无线温湿度传感器、阴极夹具及导电基底；
[0012]所述阴极支撑架上设置有第二无线温湿度传感器、阴极夹具及导电基底；其中所述导电基底通过阴极夹具固定在阴极支撑架的上端面，且阴极支撑架的上端面上还规律设置有一个以上的第二无线温湿度传感器；
[0013]所述铂丝与电沉积电源正极连接，所述导电基底与电沉积电源负极连接。
[0014]所述第一无线温湿度传感器的数量为一个以上。
[0015]所述加湿室的入口和出口分别设置在两个相对的侧壁上。
[0016]所述阴极支撑架上设置有与阴极夹具形状匹配的凹槽，且阴极支撑架通过螺栓与阴极夹具固定连接。
[0017]所述工作室内的蛇形缓冲板在阴极支撑架两侧对称布置。
[0018]所述工作室的两个进气口分别布置在两个相对的侧壁上。
[0019]一种弯液面约束电沉积微区湿度控制装置的使用方法，其特征是：使用上述中任一的弯液面约束电沉积微区湿度控制装置，步骤如下，且以下步骤依次进行：
[0020]步骤一、阴极系统准备
[0021]检查工作环境，准备待沉积的导电基底，利用丙酮溶液对导电基底进行清洗五分钟，利用超声波清洗机对导电基底浸没去离子水溶液清洗三分钟，将处理后的导电基底安装在阴极支撑架和阴极夹具之间，并将导电基底与电沉积电源负极相连接；
[0022]步骤二、喷管系统准备
[0023]配置标准为0.5M的CuSO4溶液，并将微移液管充满0.5M的硫酸铜电解液，然后将微移液管安装在喷管上；
[0024]步骤三、安装喷管系统
[0025]将第二步中准备好的喷管系统安装到Z向微位移执行器上，控制Z向微位移执行器移动，将喷管系统通过工作室顶盖的开口插入工作室的内腔，将铂丝与电沉积电源正极连接；
[0026]步骤四、准备加湿室
[0027]将加湿器通过管道与加湿室连接，所述管道上安装第一湿空气气泵和第一气体流量计；所述第一湿空气气泵和第一气体流量计用于控制流入加湿室湿空气的流量和流速；
[0028]在加湿室内设置有多个用于获取加湿室内各个位置的温湿度信息的第一无线温湿度传感器，通过第一湿空气气泵、第一气体流量计及第一无线温湿度传感器精确控制加湿室湿度接近设定值并且实现点控；
[0029]步骤五、准备工作室
[0030]将步骤一中安装了导电基底的阴极支撑架安装到工作室内腔，在阴极支撑架上安装第二无线温湿度传感器；在工作室内设置蛇形缓冲板；
[0031]步骤六、连接加湿室与工作室
[0032]将步骤四准备好的加湿室通过管路系统与步骤五准备好的工作室连接，其中管路系统的输入管道与加湿室的出口连接，管路系统的两个输出管道分别连接工作室的两个输入口，在所述管路系统上设置第二湿空气气泵、第二气体流量计及第三气体流量计；
[0033]步骤七、沉积操作
[0034]通过调节加湿室到工作室的温湿度数据，当工作室内的温湿度达到设定值且保持均匀时，给铂丝与导电基底之间施加一定的偏置电压，并通过给定Z向微位移执行器的移动速度为30nm/s，将喷管系统进行移动使得微移液管的尖端与导电基底接触，然后在给予反方向相同速度拉出一个弯液桥，促使沉积开始；
[0035]步骤八、沉积完成，取出样件
[0036]沉积完成后，关闭电沉积电源，操纵Z向微位移执行器将喷管系统从工作室本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种弯液面约束电沉积微区湿度控制装置，其特征是：包括湿度控制系统(2)、喷管系统(3)及阴极系统(4)；所述湿度控制系统(2)包括加湿器(201)、加湿室(204)、工作室(207)及Z向微位移执行器(209)；所述加湿器(201)、加湿室(204)及工作室(207)顺次连接；所述加湿器(201)通过管道与加湿室(204)连接，所述管道上依次设置有第一湿空气气泵(202)及第一气体流量计(203)，且所述加湿室(204)内壁设置有一个以上的第一无线温湿度传感器(205)；加湿室(204)通过管路系统与工作室(207)连接，所述管路系统包括一个输入管道和两个输出管道，所述输入管道上设置有第二湿空气气泵(206)，所述两个输出管道上分别设置有第二气体流量计(210)及第三气体流量计(211)；所述工作室(207)内腔规律设置有一个以上的蛇形缓冲板(208)，且工作室(207)内腔还固定设置有阴极系统(4)；所述工作室(207)顶盖上设置有Z向微位移执行器(209)，所述Z向微位移执行器(209)上设置有喷管系统(3)，且喷管系统(3)的端部通过工作室(207)顶盖的开口进入工作室(207)的内腔，并与阴极系统(4)的位置相互适配；所述喷管系统(3)包括喷管(301)、铂丝(302)及微移液管(303)，所述喷管(301)与微移液管(303)螺纹连接，且所述喷管(301)内设置有铂丝(302)；所述阴极系统(4)包括阴极支撑架(401)、第二无线温湿度传感器(402)、阴极夹具(404)及导电基底(406)；所述阴极支撑架(401)上设置有第二无线温湿度传感器(402)、阴极夹具(404)及导电基底(406)；其中所述导电基底(406)通过阴极夹具(404)固定在阴极支撑架(401)的上端面，且阴极支撑架(401)的上端面上还规律设置有一个以上的第二无线温湿度传感器(402)；所述铂丝(302)与电沉积电源正极连接，所述导电基底(406)与电沉积电源负极连接。2.根据权利要求1所述的弯液面约束电沉积微区湿度控制装置，其特征是：所述第一无线温湿度传感器(205)的数量为一个以上。3.根据权利要求1所述的弯液面约束电沉积微区湿度控制装置，其特征是：所述加湿室(204)的入口和出口分别设置在两个相对的侧壁上。4.根据权利要求1所述的弯液面约束电沉积微区湿度控制装置，其特征是：所述阴极支撑架(401)上设置有与阴极夹具(404)形状匹配的凹槽，且阴极支撑架(401)通过螺栓与阴极夹具(404)固定连接。5.根据权利要求1所述的弯液面约束电沉积微区湿度控制装置，其特征是：所述工作室(207)内的蛇形缓冲板(208)在阴极支撑架(401)两侧对称布置。6.根据权利要求1所述的弯液面约束电沉积微区湿度控制装置，其特征是：所述工作室(207)的两个进气口分别布置在两个相对的侧壁上。7.一种弯液面约束电沉积微区湿度控制装置的使用方法，其特征是：使用权利要求1
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6中任一的弯液面...

【专利技术属性】
技术研发人员：许金凯，王雪，任万飞，徐振铭，陶金，孙辉辉，王曼妃，王永华，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：