1 引 言

制备钨探针的方法有化学的或电化学的腐蚀、研磨、抛光、机械剪切、光学蚀刻、受控爆裂、阴极溅射、离子铣削、火焰磨削、蚀刻沉积等[1,2]。其中电化学腐蚀法具有制作工艺简单、腐蚀速率易控制、成本低廉等优点[3]，被广泛应用于实验室。目前，已有文献提供的采用电化学腐蚀法制作钨探针的装置主要分为“直插式”和“液膜式”。直插式是把钨丝作为阳极垂直插入到装有KOH或NaOH溶液的电解槽中，以铂铱合金丝作为阴极，电极两端施加直流或交流电;也可把阴极制成圆环，采用阳极钨丝置于圆环正中的结构[4]。液膜式制备探针的装置是把带孔的不锈钢板作为阴极，将NaOH溶液滴入不锈钢板上的小孔中形成液膜[5～7]，将钨丝作为阳极，插入液膜，通直流或交流电;液膜法能更精确控制针尖腐蚀位置，放置其他部分参与电化学反应，但针尖腐蚀过程中极易受到液膜浓度、振动等因素的影响。

目前高职院校的评估都围绕着教学目标、教学内容、教学进度、教案、人才培养方案等内容作精心的安排。教师上课在钻研教材和设计教学过程中，将学生作为知识的受体，上课是努力执行教案的过程。这种课堂就是预设教学过程的录像式的课堂，高职院里层次不齐的生源，学生作为不同的独立个体，他们的潜能与需求无法得到有效开发。现实课堂，学生因主观能动性不同，在开放的课堂中更需要多种形式的交互作用以及创生能力。教案预设的教学过程往往无法根据课堂的实际情况调整。后现代主义强调人际沟通的差异性与多元性，认知是不同主体之间的沟通与协作，以及主客体之间的理解与对话。因此，录像式的高职课堂应转换成富有生命气息的互动型直播课堂。

第二轮环保督查已于近日启动强化督查。本次督查组从原来200多个增至290多个，并预留了100多个特别机动组，较第一阶段督查力度更强、排查更精细、实时公开约谈等。据悉，本次强化督查范围涉及山东、河南、山西、河北、江苏、浙江、安徽等省份和北京、上海、天津地级市。

传统探针制备大多为静态过程，即在探针腐蚀过程中没有任何运动控制，形成的探针针尖部分整体长度很短。本文在直插式电化学腐蚀法的基础上设计了一套钨探针制备装置，通过该装置制备具有指数型轮廓和大长径比的钨探针，可用于特殊光学系统，并分析了制备探针时的变量参数对探针形貌的影响。

2 钨探针制备装置

钨探针制备装置主要分为实验部分和控制部分。实验部分由钨丝(阳极)、铂铱合金丝(阴极)、U型管和NaOH溶液(反应池)共同组成电化学反应所需的阴极、阳极、电解质等要素。控制部分又可分为运动控制和电化学反应控制。运动控制部分包括直线步进电机、压电促动器、二维位移台等，用于控制探针与电解槽的相对位置和运动参数；电化学反应控制部分包括场效应管、上升沿触发器、采样电阻、电解电源等，根据采样电阻两端电压信号变化判断并控制电化学腐蚀反应进展；控制电路由连接在计算机上的数据采集卡和驱动板卡进行控制，并设计了用户界面以控制直线步进电机和压电促动器的运动，从而监测和控制电化学腐蚀反应的进行状态。装置设计原理图如图1所示。

  

图1 探针制备装置设计原理图

2.1 机械实验台

在微机电、微电子、光学、微纳加工及生物医学等领域，大长径比的探针对于高纵横比的微观结构测量十分重要[10～14]。在电化学反应进行过程中，适时将钨丝向上提升，可以获取大长径比的探针。对于制备探针的长径比影响较大的因素是开始提升时钨丝上的电解电流和提升的速度。

  

图2 总体结构示意图

在机械实验台上装夹好钨丝，使钨丝垂直于水平面，置于U型管一侧；在U型管的另一端的NaOH液面内插入铂铱合金丝作为阴极。软件设计流程见图6，开启电解电源，软件上启动电机和上升沿触发器，控制电机将钨丝移动到电解质液面上方，开启自动寻找液面功能。当钨丝底部接触到液面时，继续将钨丝深入液面一定长度后停止。此时电化学反应开始并实时记录采样电阻两端电压，采样频率为10 Hz。探针针尖形成瞬间，软件监测到采样电阻的电压骤降至接近0 V，将电机快速向上移动，探针制备结束。

  

图3 钨丝定位装置

  

图4 电解槽固定装置

采用如图5所示的电解控制电路。该电路由上升沿触发器(74F74N)、场效应管(2SK125,2SK1132,2SK611)、采样电阻(可变电阻)等元器件组成。外接可调的0～20 V直流稳压电源作为电解电源Vcc，阴极外接数据采集卡，由数据采集卡的数字信号输出端口控制上升沿触发器74F74N的D、R、S端。电化学反应开始时，阴极的电压大于场效应管2SK125的导通电压1.6 V，74F74N的输入端CP保持低电平，输出端Q保持低电平，2SK1132关断，2SK611导通，Vcc持续为探针提供电压。探针针尖形成时，阴极电压突降至接近0 V，2SK125截止，CP端获得上升沿信号，Q端输出高电平，使2SK1132导通，2SK611截止，探针接地，电压降至0 V，电化学反应停止。

为实现定位过程中的精确控制，选用德国PI公司的P250.20型压电促动器，其位移行程为20 μm，位移精度达1 nm。在过渡板的水平面上安装压电促动器，水平板的中部通过柔性铰链板连接在过渡板水平面的顶端，该水平板的一端与压电促动器的底端连接；在水平板的另一端装有用于固定钨丝的固定夹。工作时，由压电促动器控制水平板以柔性铰链板为轴心的旋转运动，从而控制钨丝的微量位移。由于旋转角度很小，可近似为垂直位移。

电解槽固定装置中的U型管装有电化学反应所需的NaOH溶液，通过固定板上螺柱的旋紧力固定在二维位移台上。固定板为塑料材质，U型管可被取出，以便更换NaOH溶液。

2.2 电解控制电路

图8中的电压指探针形成的瞬间，采样电阻两端的电压值，也就是场效应管2SK125的栅极电压。可见，随着采样电阻的增大，针尖形成时的栅极电压逐渐降低。场效应管有门电压，当栅极电压小于门电压时，场效应管就会关断。针尖断开时的电解电流为毫安级，2SK125的门电压约为1.6 V。若针尖还未断开，栅极电压就小于门电压，电路就会提前切断腐蚀电压，导致探针制作失败。图中所示的电压值为多次实验后得到的平均值，实际制备探针时此电压值会有所波动，由此可知，采样电阻过大会影响探针制备成功率。

钨丝定位装置中，选用德国PI公司的M227.10型直线步进电机。其运动行程为10 mm，定位精度达0.05 μm。用电机固定支架将直线步进电机固定在位移台支撑板的上部，一维位移台固定在位移台支撑板的下部；L形过渡板的立面固定在一维位移台上，由直线步进电机驱动过渡板垂直位移。

本研究共收集30例，试验到第4例时，反应符号发生改变，因此从其前一例作为1号，共28例纳入到序贯法公式计算之中（图1）。9名男性，19名女性，平均年龄44.86±12.05岁，身高167.33±7.19 cm，体质量67.44±11.32kg，BMI23.91±2.65，手术时长82.03±19.02min。所有患者诱导后插管顺利，均在15 s内完成气管插管，术中无体动，9例诱导过程出现一过性胸前区皮肤潮红，发生率32.1%，但血压、心率均无明显波动。

  

图5 电解控制电路

2.3 用户软件

英语与茶看似毫不相干，但是我国茶文化在国际化发展过程中，语言的需求是不可或缺的。从世界范围来看，英语依然是主要语言，以其方便、简单、适用国家多等突出优势成为国际交流的主要语言。运用英语这个传播工具向世界各国推广中国传统茶文化，打造国际茶文化旅游区是当前我国茶文化旅游区宣传营销的主要任务。

用户软件具备的功能有：控制直线步进电机和压电促动器以指定速度移动指定步长；通过采集采样电阻的电压，实时获取电化学反应进行状态，并记录原始数据以供后期分析；在探针针尖形成时，控制直线步进电机将钨丝提出电解质溶液；可手动控制直线步进电机、压电促动器的移动速度和位置，手动控制电化学反应的启停。

机械实验台的支架上固定有钨丝定位装置和电解槽定位装置，其示意图分别见图3和图4。

  

图6 软件设计流程图

3 探针制备实验与分析

3.1 静态腐蚀制备普通针尖

在电化学腐蚀过程中，不改变各项反应条件，不移动钨丝的位置，则称此探针制备过程为静态腐蚀。在探针制备实验中，选取直径为0.15 mm的钨丝，1.5 mol/L的NaOH溶液，电解电压11 V，钨丝浸没在电解质溶液的深度为1 mm。通过多次实验，得出制得的针尖曲率半径在5～20 nm范围，针尖形貌光滑、对称，呈理想的指数型轮廓，制备成功率大于80%。在扫描电子显微镜中观察到的针尖如图7所示。

  

图7 制作的探针图像

改变采样电阻值大小，可对针尖形成时间、曲率半径进行控制。如图8所示。对不同的采样电阻值下的实验数据进行考察，可优化实验参数。

(1)碎石制砂机械仍然采用的是传统的机械原理及工艺，导致砂石料生产企业所制的成品砂普遍存在粉料和针片状超标、砂粉分离、连续级配不达标等质量问题，影响混凝土强度和基建工程质量，不能满足国家大型项目建设的要求。经常出现公路不停的维修，楼房难以抵抗六级以上地震。

  

图8 采样电阻阻值对制备探针的影响

电解控制电路即为钨探针制备装置的电化学反应控制部分。其需要具备的功能有：供给电解池电压；能在针尖形成的瞬间快速断电；通过采样电阻实时检测电解电流[8,9]。其设计的要点在于针尖形成后，迅速检测到电解电流的变化并切断电解电源，防止钨丝继续被电解，保持其尖锐的形状。

图8中的曲率半径指多次制作探针后得到的针尖平均曲率半径，由图可知，较大的采样电阻可以获得更细的探针针尖。综上所述，选取2.5 kΩ作为采样电阻阻值。

3.2 动态腐蚀制备大长径比探针

装置的机械部分主要由支架、钨丝定位与运动模块和电解槽定位模块组成，如图2所示。该部分具有以下功能：固定并可调节电解槽与腐蚀电极的相对位置，粗调钨丝的浸没深度；调节钨丝倾斜角，夹紧并确保其垂直于液面；保证大行程、高精度的浸没深度定位；断电时快速将钨丝提升，使其离开电解质溶液；在电化学反应进行中移动钨丝，修饰探针形貌。

首先，对浸入电解液的钨丝进行静态腐蚀(反应条件如3.1节所述),直到电解电流降至一定值时，将钨丝以1 μm/s的速度匀速向上提升，直到钨丝被腐蚀断开。表1为提升钨丝时电流大小与针尖长径比的关系。结果表明：提升探针时的电解电流越小，形成的探针直径越小，长径比越大，但其对探针的长度影响相对较小，见图9。

 

表1 提升时的电解电流对探针的影响

  

电流/mA长度/μm直径/μm长径比1 5358 113 127 31 6328 915 421 41 7336 716 919 91 8316 122 514 01 9328 628 411 62 0336 232 310 4

  

图9 提升时刻对探针形貌的影响

将提起探针时的电解电流稳定在2.0 mA，改变匀速提拉钨丝的速度，可得表2中的实验结果。实验表明：探针提升的速度越快，形成探针的长度越长，探针的长径比越大，但其对探针的直径影响相对较小，见图10。

 

表2 提升速度对探针的影响

  

速度/μm·s-1长度/μm直径/μm长径比0 6263 627 49 60 8310 330 910 01 0336 232 310 41 2370 133 511 01 4399 331 512 71 6414 532 112 9

  

图10 提升速度对探针形貌的影响

综合控制电化学腐蚀中的各项条件，在电解电流较小即静态腐蚀探针时间较长的时刻，以较快的速度提升探针，最终制备的探针具有较大的长径比。

产科实验指标结果均进行统计学计算,使用统计学软件SPSS18.0。自然分娩率、新生儿窒息率等计数指标结果均以%形式展开,进行卡方检验。P<0.05,说明观察指标结果差异有统计学意义。

4 小 结

采用电化学腐蚀法制备钨探针的原理，设计并制造了用于制备钨探针的机械实验台和电解控制电路，编写了相应的用户软件;实现了集成度较高、可控参数较多、较为自动化的探针制备过程;制得的钨探针具有指数曲线轮廓，针尖曲率半径范围约为5～20 nm，成功率较高；分析了制备探针时的变量参数对探针形貌的影响，在静态腐蚀一定时间后匀速移动钨丝位置，可控地制备不同尺寸的大长径比探针。

[参考文献]

[1] Melmed A J. The Art and Science and Other Aspects of Making Sharp Tips[J]. Journal of Vacuum Science & Technology A,1991,9(2):601-608.

[2] 伏明明.大范围、高深宽比扫描隧道显微镜技术研究[D].杭州:浙江大学,2010.

[3] 汪雅丽,熊艳艳,高思田,等.用于音叉式原子力显微镜的探针制备[J].计量学报,2017,38(1):43-46.

[4] Ge Y, Zhang W, Chen Y L, et al. A reproducible electropolishing technique to customize tungsten SPM probe: From mathematical modeling to realization[J]. Journal of Materials Processing Tech,2013,213(1):11-19.

[5] Yu Z Q, Wang C M, Du Y, et al. Reproducible tip fabrication and cleaning for UHV STM[J]. Ultramicroscopy,2008,108(9):873-877.

[6] 潘金福,黄旭,王云,等.STM探针电化学腐蚀装置的设计及实验研究[J].现代机械,2008,(5):14-16.

[7] 孙宏君,裘进浩,季宏丽,等.基于电化学腐蚀法的钨探针制备研究[J].应用化工,2015,44(4):761-763.

[8] 姚琲,李春艳,刘平,等.STM钨针尖电化学加工及其装置的改进[J].电子显微学报,2003,22(3):256-258.

[9] 吴雪梅,杨礼富,甘俊彦,等.扫描隧道显微镜针尖的电化学腐蚀制备方法[J].苏州大学学报(自然科学),1997,13(3):47-50.

[10] 高思田.计量型原子力显微镜的研究[D].天津:天津大学,2007.

[11] 张华坤，高思田，李伟. 原子力显微镜的双探针接触测量研究[J].计量学报, 2016,37(1):1-5.

[12] 刘雷华，郭彤，李伟,等.基于石英音叉探针的原子力显微镜测头开发[J].计量学报, 2016,37(3):225-229.

[13] Ju B F,Chen Y L,Ge Y. The art of electrochemical etching for preparing tungsten probes with controllable tip profile and characteristic parameters[J]. Review of Scientific Instruments,2011,82(1):2359.

[14] Rajurkar K P,Levy G,Malshe A,et al. Micro and nano machining by electro-physical and chemical processes[J]. Annuals of the CIRP,2006,55(2):643-666.