加工检测一体化硅电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种加工检测一体化硅电极及其制备方法。所述硅电极包括重掺杂硅基体、绝缘层、隔离层、温度检测单元和电导率检测单元；重掺杂硅基体包括电极夹持部分和电极加工部分；所述电极夹持部分远离电极加工部分的一端的正面设置有电极供电导电端、温度信号引出端和电导率信号引出端；电极加工部分的正面表面设置有隔离层，并延伸至电极夹持部分的表面上；温度传感单元和电导率传感单元设置在电极加工部分靠近电极端面一端的表面隔离层上。该硅电极在进行电解加工的同时，还能检测间隙内电解液的电导率或者同时检测间隙内电解液的温度和电导率，用以反映加工间隙、电解产物排出情况等加工状态。

【技术实现步骤摘要】
加工检测一体化硅电极及其制备方法
本专利技术属于特种加工
，具体而言，本专利技术涉及一种用于微细电解加工的加工检测一体化硅电极及其制备方法。
技术介绍
微细孔、槽等结构在汽车、航空航天和精密仪器等领域具有广泛应用，如喷油嘴上的微喷孔和模具上的微沟道等。在机械零件微型化趋势下，对微结构形状精度和表面质量要求越来越高，需求量也越来越大。目前的加工工艺如微细电火花加工、微细电解加工、脉冲激光加工等在精度、效率方面有各自的特点和优势。其中微细电解加工将合金材料以离子形式溶解，理论上可以实现亚微米甚至纳米级加工精度，同时保持材料表面完整性，加工表面质量好的优势明显，是微细结构加工最具潜力的方法。在微细电解加工工艺中，一方面，电极侧壁会对已加工表面产生杂散腐蚀，导致加工定域性变差；另一方面，加工间隙内的电化学反应、液体流动、电解液成分等加工状态目前无法实时监测，常发生电极短路或者产物沉积的情况，因此无法精确预测加工结果和提高加工精度，大大限制了微细电解加工在工业领域内的应用。为了抑制杂散腐蚀和提高加工定域性，采用电极侧壁绝缘层是一种有效途径。目前利用化学气相沉积(CVD)法、有机材料涂覆法、静电喷涂法和绝缘套管法等，一定程度地抑制了杂散腐蚀。但是由于涂覆或嵌套等物理方法无法实现金属与绝缘层间的紧密结合，绝缘层的使用可靠性和耐久性很差。本案申请人在2016年10月19日递交了一件名为“电解加工用微细单晶硅工具电极及其制备方法”的专利技术专利申请，提供了一种微细硅工具电极的新思路，其显著特征在于采用高浓度掺杂的硅作为电极基体，二氧化硅/氮化硅薄膜层作为其侧壁绝缘层，大大提高了电极侧壁绝缘层的耐久性和稳定性，同时微细硅电极特有的等腰梯形截面柱状结构，其高速旋转更有利于电解加工产物排出的稳定性。在采用硅电极的微细电解加工体系中，由于硅是硬脆性材料，机械碰撞和短路接触会导致电极损坏。而且，重掺杂硅的导电性劣于金属，相同条件下，加工区域内产生更多的热量，温度变化范围更广，会改变电解液黏度等物理性质，常规的电解加工规律并不适用。因此要获得高形状精度和稳定的加工状态，对阴、阳极间的加工区域内的物理、化学过程进行实施在线监测的需求更加迫切。然而在加工电压、电极极化、电解液温度、浓度、电导率等众多因素的影响作用下，微细电解加工过程的监测非常困难，尤其是在微米尺度的加工区域内，现有的传感检测手段无法实施，因此无法对两极短路、电极碰撞、产物沉积等突发情况进行实时反馈，也无从进行紧急处置。在众多电解加工过程参数中，电解液温度和电导率参数是由电解液流动、电解液传热、电化学反应、物质输运等多各物理场耦合作用的结果，其数值可以直接反映了加工间隙内的状况。但是受限于温度、电导率传感器的体积和电路设计，目前尚无对于微米尺度加工区域内的电解液温度、电解液电导率参数的实时在线检测研究方法。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种加工检测一体化硅电极及其制备方法。在进行电解加工的同时，还能检测间隙内电解液的电导率或者同时检测间隙内电解液的温度和电导率，用以反映加工间隙、电解产物排出情况等加工状态。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种加工检测一体化硅电极，根据本专利技术的实施例，所述硅电极包括重掺杂硅基体、绝缘层、隔离层和电导率检测单元；所述重掺杂硅基体包括电极夹持部分和电极加工部分；所述电极夹持部分远离电极加工部分的一端的正面设置有电极供电导电端和电导率信号引出端，所述电极夹持部分反面设置有定位结构；所述电极供电导电端与重掺杂硅基体直接连接；除电极供电导电端和电导率信号引出端表面外，所述电极夹持部分表面覆盖有绝缘层；所述电极加工部分的正面表面设置有隔离层，并延伸至电极夹持部分的表面上；所述电导率传感单元设置在电极加工部分靠近电极端面一端的表面隔离层上；所述电导率信号引出端与重掺杂硅基体间由隔离层完全电学绝缘；除电导率传感单元和电极端面表面外，所述电极加工部分表面覆盖有绝缘层。根据本专利技术实施例的加工检测一体化硅电极，该硅电极包括电导率传感单元，集电解加工阴极、可靠的侧壁绝缘、电解液电导率检测功能于一体，在进行电解加工的同时，检测间隙内电解液的电导率，用以反映加工间隙、电解产物排出情况等加工状态，从而对两极短路、电极碰撞、产物沉积等突发情况进行实时反馈，并采取相应的紧急处置措施。同时，电导率检测单元都为微米级尺度，可精确得到材料蚀除区域内的电导率变化情况。另外，根据本专利技术上述实施例的加工检测一体化硅电极还可以具有如下附加的技术特征：在本专利技术的一些实施例中，所述电导率传感单元包括测试电极和信号导线，所述测试电极通过电导率信号导线与电导率信号引出端相连接。在本专利技术的一些实施例中，所述测试电极包括1对环形电极和1对圆盘电极；所述环形电极为半圆形对立结构；所述圆盘电极并列布置；所述环形电极为厚度为纳米级、宽度为微米级的金属薄膜；所述圆盘电极为厚度为纳米级、宽度为微米级的金属薄膜。在本专利技术的一些实施例中，采用高浓度掺杂的硅作为电极基体，沉积的SiO2作为绝缘层。由此，大大提高了硅电极绝缘层的使用寿命。在本专利技术的一些实施例中，所述定位结构为定位槽。由此，实现硅电极的精确装夹和定位。在本专利技术的再一个方面，本专利技术提出了一种制备上述加工检测一体化硅电极的方法，根据本专利技术的实施例，该方法包括：(1)在单晶硅基体正面沉积一层隔离层；(2)在隔离层表面沉积一层金属层，并形成图形化的电导率检测单元；(3)处理并刻蚀单晶硅基体的上下表面，得到电极的基本轮廓；(4)在步骤(3)所得基体的所有裸露面上沉积一层绝缘层；(5)局部处理所述金属层表面上的绝缘层、掩膜层，暴露出电导率检测单元部分和相应导线的连接部分，并制备导电端；(6)将单晶硅基体按照电极的轮廓裂片，使硅电极从基体上脱离下来。根据本专利技术实施例的制备加工检测一体化硅电极的方法，该制备方法通过刻蚀、沉积工艺得到电极基体、电导率检测单元和绝缘层，工艺较成熟，具有大批量制作的应用潜力。该方法制备出的硅电极集电解加工阴极、可靠的侧壁绝缘、电解液电导率检测功能于一体，在进行电解加工的同时，检测间隙内电解液的电导率，用以反映加工间隙、电解产物排出情况等加工状态，从而对两极短路、电极碰撞、产物沉积等突发情况进行实时反馈，并采取相应的紧急处置措施。同时，电导率检测单元为微米级尺度，可精确得到材料蚀除区域内的电导率变化情况。另外，根据本专利技术上述实施例的制备加工检测一体化硅电极的方法还可以具有如下附加的技术特征：在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述金属层的沉积厚度为10-200nm；所述金属层的材料为铂。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，对单晶硅材料基体的上表面进行单面光刻，以光刻胶作为掩膜，在其表面上沉积一层金属薄膜，利用lift-off工艺，去掉光刻胶，得到图形化的金属层。在本专利技术的第三个方面，本专利技术提出了一种加工检测一体化硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种加工检测一体化硅电极，其特征在于，所述硅电极包括重掺杂硅基体、绝缘层、隔离层和电导率检测单元；/n所述重掺杂硅基体包括电极夹持部分和电极加工部分；所述电极夹持部分远离电极加工部分的一端的正面设置有电极供电导电端和电导率信号引出端，所述电极夹持部分反面设置有定位结构；所述电极供电导电端与重掺杂硅基体直接连接；除电极供电导电端和电导率信号引出端表面外，所述电极夹持部分表面覆盖有绝缘层；/n所述电极加工部分的正面表面设置有隔离层，并延伸至电极夹持部分的表面上；所述电导率传感单元设置在电极加工部分靠近电极端面一端的表面隔离层上；所述电导率信号引出端与重掺杂硅基体间由隔离层完全电学绝缘；除电导率传感单元和电极端面表面外，所述电极加工部分表面覆盖有绝缘层。/n

【技术特征摘要】
1.一种加工检测一体化硅电极，其特征在于，所述硅电极包括重掺杂硅基体、绝缘层、隔离层和电导率检测单元；
所述重掺杂硅基体包括电极夹持部分和电极加工部分；所述电极夹持部分远离电极加工部分的一端的正面设置有电极供电导电端和电导率信号引出端，所述电极夹持部分反面设置有定位结构；所述电极供电导电端与重掺杂硅基体直接连接；除电极供电导电端和电导率信号引出端表面外，所述电极夹持部分表面覆盖有绝缘层；
所述电极加工部分的正面表面设置有隔离层，并延伸至电极夹持部分的表面上；所述电导率传感单元设置在电极加工部分靠近电极端面一端的表面隔离层上；所述电导率信号引出端与重掺杂硅基体间由隔离层完全电学绝缘；除电导率传感单元和电极端面表面外，所述电极加工部分表面覆盖有绝缘层。


2.根据权利要求1所述的加工检测一体化硅电极，其特征在于，所述电导率传感单元包括测试电极和信号导线，所述测试电极通过电导率信号导线与电导率信号引出端相连接。


3.根据权利要求1所述的加工检测一体化硅电极，其特征在于，所述测试电极包括1对环形电极和1对圆盘电极；
任选地，所述环形电极为半圆形对立结构；所述圆盘电极并列布置；
任选地，所述环形电极为厚度为纳米级、宽度为微米级的金属薄膜；
任选地，所述圆盘电极为厚度为纳米级、宽度为微米级的金属薄膜。


4.一种制备权利要求1-3任一项所述的加工检测一体化硅电极的方法，其特征在于，包括：
(1)在单晶硅基体正面沉积一层隔离层；
(2)在隔离层表面沉积一层金属层，并形成图形化的电导率检测单元；
(3)处理并刻蚀单晶硅基体的上下表面，得到电极的基本轮廓；
(4)在步骤(3)所得基体的所有裸露面上沉积一层绝缘层；
(5)局部处理所述金属层表面上的绝缘层、掩膜层，暴露出电导率检测单元部分和相应导线的连接部分，并制备导电端；
(6)将单晶硅基体按照电极的轮廓裂片，使硅电极从基体上脱离下来。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述金属层的沉积厚度为10-200nm；
任选地，所述金属层的材料为铂；
任选地，在步骤(2)中，对单晶硅材料基体的上表面进行单面光刻，以光刻胶作为掩膜，在其表面上沉积一层金属薄膜，利用lift-off工艺，去掉光刻胶，得到图形化的金属层。


6.一种加工检测一体化硅电极，其特征在于，所述硅电极包括重掺杂硅基体、绝缘层、隔离层、温度检测单元和电导率检测单元；
所述重掺杂硅基体包括电极夹持部分和电...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，刘国栋，钟昊，佟浩，谈齐峰，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11