钨丝微电极阵列的简易制备方法简介

钨丝微电极阵列的简易制备方法简介

神经工程系统是目前一个非常活跃且发展迅速的研究领域,比如脑-机接口,神经假体等问题受到越来越多的关注。微电极已成为揭示神经系统工作机理、治疗神经疾病和神经康复等方面的重要工具。无论是脑-机接口还是神经假体,通常都是将电极植入动物或患者体内,通过电极加载电信号激励或抑制神经活动以实现功能性电刺激(functionalelec2tricalstimulation,FES),或者利用微电极将神经活动转换为电信号被记录下来进行分析研究。

近年来,随着MEMS技术的进步,制作更小、更精密的植入式微电极以构建植入损伤小、空间分辨率高、特异性强的神经工程系统已成为一个重要发展趋势。根据作用对象和应用目标的不同,至今人们已陆续研究和开发出了多种形式的植入式微电极,包括平面薄膜微电极、箍形微电极、筛形微电极和针形微电极,其中高密度、有序排列的三维针式微电极阵列具有独特的优势,它可植入大脑皮层或神经束内,直接与神经轴突接触,很好地发挥记录和刺激功能,尤其对深脑皮层刺激和记录具有重要意义,且电极的高密度可以保证良好的选择性刺激或记录。目前最常见的三维针式微电极阵列是基于硅材料为基底加工制作的,常规的制作工艺包括基于体硅的机械切割结合湿法刻蚀、硅基选择性扩散结合反应离子刻蚀以及SOI材料的深反应离子刻蚀等。通常这类以硅材料为基底的针形微电极阵列加工过程非常复杂、昂贵,使得该类型微电极难以广泛推广和使用,广大神经电生理科学家和医学工作者也难以从中受益,极大地限制了脑-机接口和神经假体方面的研究步伐。

为了降低制作成本,缩短加工周期,促进针形微电极阵列的广泛应用,为神经康复治疗和神经生物学研究奠定基础。一种基于钨丝的简易、廉价、快速针形微电极阵列制作方法。首先利用MEMS技术制作加工制作具有微细沟槽和腔体结构的玻璃模具,然后将涂覆有光敏性聚酰亚胺绝缘层的微细钨丝(φ=100μm)镶嵌于玻璃模具沟槽中,并通过在模具上与微细沟槽相通的微腔中注入SU-8胶,并光刻、固化,实现钨丝的精确排列和定位。之后,通过“双面光刻”、电化学腐蚀方法实现钨丝的精确切割,最后通过电化学腐蚀完成电极针尖形状制作。这种基于MEMS工艺制作的钨丝针形微电极阵列,既避免了手工制备方式针形微电极精度低、难以批量生产的缺陷,也克服了硅基针形微电极阵列制作工艺复杂、成本高的不足。而且基于微细钨丝的针形微电极阵列,与硅基微电极阵列相比,具有更优的机械强度和韧性,可更好地满足深层刺激或记录的需要。

掺杂钨丝多牌号技术的基本要求

掺杂钨丝多牌号技术的基本要求

上篇文章提到,不同的牌号需要不同的工艺技术。以日本钨公司的B001、B584为例,作一简单的比较说明。

日本钨公司的掺杂钨丝生产工艺是:采用蓝色氧化钨掺杂、钨粉酸洗工艺,B、D粉技术,等静压技术压圆条、多模串打技术进行旋锻加工等,这些工艺技术在我国也已经用得较普及了,不同的地方只是工艺参数的差异,这些即是B001牌号生产的基本技术。而B584牌号和B001牌号的不同之处主要有:

(1)对原材料的要求不同,B584对APT的晶形外貌、粒度分布、杂质元素都有更加严格的要求。

(2)掺杂工艺不同,掺杂剂的用量也不一样,这一点非常关键。

(3)钨粉还原工艺不同,B584采用B、C、D三种钨粉,其中:B、C粉采用二次还原工艺,对二氧化钨有特别的要求。而B001牌号只用B、D粉。

(4)对钨条试探批的加工、检测要求不同等。

不同的生产厂家,各个牌号的生产加工工艺可能是不同的,但以上几点仍然是构成各牌号钨丝生产技术的若干基本原则。

掺杂钨丝的多牌号技术的分类方法

掺杂钨丝的多牌号技术的分类方法

掺杂钨丝一般的牌号分类方法是:选定适用于通用要求的钨丝为一基本牌号(这个基本牌号的钨丝,必须是由主流工艺能够大批量生产的),然后在此基础上,扩展相应的特性,形成不同的相关牌号。以日本钨公司的钨丝牌号为例,掺杂钨丝共有B001、B150、B584、B701、N876等五个牌号。其基本牌号为B001,为了进一步增加钨丝的耐高温性能,开发了B584牌号;为了增加钨丝的高温抗震性能,开发了B701牌号;为了满足一些产品对钨丝的加工性能及绕制性能的特殊要求,开发了N876牌号等。各牌号钨丝的特性、用途见下表。

掺杂钨丝牌号、特性和用途

牌号	特性及用途
B001	再结晶温度高、不下垂、加工性能优良,适用于普通白炽灯、双螺旋或三螺旋荧光灯、电真空管、加热子、支架丝等。
B150	耐高温性能好,不下垂,适用于大功率灯泡、双螺旋白炽灯、一般卤钨灯等。
B584	再结晶温度高、高温稳定性好、不下垂,适用于卤钨灯、大功率灯泡等特种灯。
B701	高温稳定性好、耐震、使用中玻壳不发黑,适用于耐高温性能要求特别高的耐震灯、卤钨灯等。
N876	柔软性好、加工性能好,适用于普通白炽灯、红外线发热丝、支架丝、电极、加热子等。

 

掺杂钨丝多牌号技术的基本原理

掺杂钨丝多牌号技术的基本原理

虽然各个厂家的牌号叫法不同,但其原理是基本相同的。掺杂钨丝多牌号技术的基本原理是:按照电光源产品对钨丝的要求进行适当的分类(一般分成三类以上),如根据灯丝对高温性能的要求可分成高、中、低等几类,针对每一类产品要求,采用特定的工艺技术,生产出相应的具有这种特性的钨丝系列,即为某一牌号的钨丝。这些特定的工艺技术包括:原材料的限定、蓝色氧化钨及钨粉还原工艺的不同、掺杂工艺的不同、掺杂剂的改变、以及相应的配套加工工艺的改变等。最后,严格的产品性能检测、分类也是必要的。

优质钨丝的生产需具有优质的钨条

优质钨丝的生产需具有优质的钨条

钨条的密度应保证17.4～17.9g/cm3,但密度为17.4～17.9g/cm3钨条不一定是优质钨条。只有用90%～92%熔断电流保温12～15min进行垂熔烧结的钨条,密度为17.4～17.9g/cm3,这才是优质钨条。用小于90%和大于92%熔断电流进行垂熔烧结,虽然也得到了同样的密度,但不是优质钨条。欲得到优质钨条,应实施下列工艺方案。

控制仲钨酸铵粉末的粒度

仲钨酸铵粉末的粒度应控制在38～45μm范围内比较合适。仲钨酸铵粉末粒径小于38μm(费氏法)时,易生产出细掺杂钨粉。它的坯条进行垂熔烧结时,小于90%熔断电流进行烧结就能获得高密度掺杂钨条,其断面结晶为细晶,其拉丝性能差(容易缩丝和纵劈裂)。仲钨酸铵粉末粒径大于45μm时,易生产出粗颗粒掺杂钨粉,它的坯条进行垂熔烧结时,大于92%熔断电流进行烧结只能获得低密度钨条,这种钨条在旋锻过程中易产生横裂和脆断,拉丝易产生毛刺而脆断。

控制还原料层厚度

目前在钨粉还原过程中,通常是控制还原装舟量而不控制料层厚度。一次还原过程采用较厚的料层厚度,而二次还原则采用较薄的料层厚度为最佳。

钨粉应粒度配比

掺杂钨粉粒度配比是稳定钨条生产的重要途径,也是提高钨条正品率的重要途径。钨粉粒度配比的比例是用垂熔烧结实验确定的:若垂熔保温电流小于90%熔断电流就能获得密度为17.4～17.9g/cm3钨条,说明钨粉粒径细了;若垂熔保温电流大于92%熔断电流得到密度低于17.4g/cm3钨条,说明钨粉粒径粗了。调整一次还原温度和料层厚度,很容易获得粒度合适和符合垂熔工艺的钨粉。

垂熔保温

电流应分两段控制用90%～92%熔断电流保温12～15min的垂熔烧结工艺,先在低于保温电流约50A电流下保温1/3时间,然后在保温电流下保温2/3时间。例如保温电流为3700A时,先在3650A保温5min,然后在3700A保温10min。

使用低露点氢气目前钨条生产厂通常控制氢气露点为-40℃左右,它不能生产出优质钨条。钨条中的氧含量对钨的塑-脆性转变温度有显著的影响。例如钨条中的氧含量为4×10-6、10×10-6、30×10-6和50×10-6时,它们的塑-脆性转变温度分别为230℃、360℃、450℃、550℃。塑-脆性转变温度高的钨条,它在压力加工过程中易产生脆、断、裂,大大降低钨的成材率。为此,还原钨粉和垂熔烧结钨条应使用露点为-65℃～-70℃的氢气,它的水分含量为5.343×10-6～2.584×10-6。

钨条质量应逐根检测

首先检测钨条两端的吸水程度,吸水部分应全切除。不吸水钨条应用排水法逐根测密度。钨条的密度应分为三级:17.4～17.9g/cm3为一级密度钨条;大于17.9g/cm3为二级密度钨条;小于17.4g/cm3为三级密度钨条。三种密度不同的钨条应采用不同的旋锻开坯工艺,即低密度钨条用小压缩比和较低的开坯温度,而高密度钨条用大压缩比和较高的开坯温度。

钨丝生产中再结晶退火工艺

钨丝生产中再结晶退火工艺

再结晶退火的目的

方钨条加工变形成圆钨棒时,受到了严重的不均匀变形,在钨棒横断面上产生不均匀应力,四棱角处的应力最大,即横断面周围应力较大,中心部位应力最小。继续进行旋锻加工会加剧不均匀变形,致使钨棒开裂和脆断。如果及时进行均匀化再结晶退火,消除不均匀的应力,调整钨棒内部的晶粒结构,产生均匀的结晶断面,有利于钨棒随后的旋锻和拉丝加工。

再结晶退火点的选择

再结晶退火点应根据变形程度确定,变形程度一般达到40%～50%时就要进行均匀化再结晶退火。但值得注意的是:变形程度的计算起点很重要,从方钨条旋锻至圆钨棒时的直径作为变形程度的起点,而不应以方条对角线作为变形程度计算起点。变形程度小的钨棒再结晶退火后,它的断面结晶不均匀,周围粗大,而中心细。这种结晶组织钨棒在拉丝过程中容易产生脆断和一致性差,并且降低钨丝的高温性能。

当前,国内有些钨丝厂只进行一次再结晶退火,一般选择9.0～10.5mm为再结晶退火点;而另一些钨丝厂则进行两次再结晶退火,一般选择10.5mm和5.5mm左右为两个退火点。如果选择7.2mm为再结晶退火点,只进行一次再结晶退火就能获得两次再结晶退火的结果。

再结晶退火钨棒的断面结晶要求

无论是采用一次还是二次再结晶退火,钨棒的横断面结晶组织应满足如下要求。

(1)整个横断面的晶粒大小应基本均匀一致,不允许出现环形结晶组织,即周围晶粒粗大而中心晶粒细。

(2)整个横断面的晶粒大小能用肉眼看清楚,不允许全是细晶。

(3)钨棒的横断面断口放在太阳光或强灯光下观察时,部分粗晶粒显示闪亮,部分细晶粒不闪亮,闪亮晶占50%左右为最佳。闪亮晶的比例过大或过小,都会使钨的加工性能变坏。比例过小时,在拉丝过程中易产生纵劈裂断丝;比例过大时,在拉丝过程中易产生脆断裂。

钨丝生产中的旋锻开坯工艺

钨丝生产中的旋锻开坯工艺

料温要均匀

为了使料温均匀,首先要求加热钨条的炉膛温度要均匀一致,炉子结构和缠绕炉丝的方法是至关重要的。旋锻开坯用的钼丝炉一般是一端开门而另一端封闭,获得均匀的温区是很困难的。采用炉丝间距分阶段的缠绕方法和钨条在炉中来回移动加热法(即勾料旋锻)就能使料温均匀,可防止钨条开裂和脆断。加热钼丝炉的钼丝缠绕圈距应根据钨条的长度、炉子结构、钨条在加热过程中所处的位置和模次来确定。

分阶段确定钨条开坯的压缩比

旋锻开坯方钨条的最佳压缩比是:方变圆的过程中,即打棱角过程,应采用小压缩比旋锻,约旋锻三模次;方条变成圆钨棒后,应立即采用大压缩比旋锻;然后随着钨棒直径减小,其压缩比也逐渐减小进行旋锻。采用上述压缩比旋锻工艺,可防止裂纹产生。

慢速旋锻

有些钨丝厂,钨条在方变圆的过程中,为了防止料温降得快,采取快速打料,在钨条表面产生大的锤痕,甚至产生裂纹。钨条由于强度低和方变圆过程中属于极不均匀变形,若采取快速旋锻,容易使钨条脆断和开裂。因此,钨条在旋锻过程中应采用适当慢速旋锻。

改进钼丝加热炉

(1)新炉管使钨条在旋锻过程中产生严重横裂,第一炉料是最严重的,有时达到报废的程度。随着炉次增加,产生的裂纹也逐渐减少,大约需8～10炉次才能消灭裂纹产生。造成上述问题的主要原因是:新氧化铝炉管中含铁和磷较高,磷是制炉管工艺过程中加入的。微量铁和磷使钨产生脆性。解决的办法是:新炉管中放入大量钨(钨粉或钨条,它们的表面积越大越好),在高于使用温度下保温空烧8～10h,然后取出炉管中的脏钨并清理干净,旋锻的钨棒没有裂纹。

(2)钼丝加热炉安装热电偶测温是稳定钨条旋锻工艺的重要手段。钨铼热电偶测温高、灵敏度高、热电势值大、价格低廉,是测量钼丝炉温度的最佳热电偶。它能自动控温,消除了人为误差,大大提高了温度的可靠性和准确性。

(3)高纯空心氧化铝球代替氧化铝粉做保温材料。由于氧化铝球热容量大,保温性能好,在打料过程中,温度波动小,保证了钨条在均匀温度下进行旋锻。