[发明专利]基于中空AFM探针定域电沉积的增材制造装置及方法

说明书

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。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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；