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微悬臂梁通过局部电化学沉积（LECD）制备，利用微电极（20 μm直径）与不同倾斜角度（0°-90°）的3D运动平台协同作用，发现悬臂梁直径随倾斜角先减小后增大，45°时最小达6.7 μm。COMSOL模拟表明倾斜角通过改变电场分布和电流密度不对称性调控直径。该技术成功制备X形和倒H形复合微结构，为微纳制造提供了非热、低成本的新方法，在MEMS、探针检测等领域有重要应用价值。
Dengguo Xu|Chuntao Meng|Ting Zhu|Qixin Qing
广西科技大学自动化学院，中国柳州545006
摘要
本研究提出了一种利用局部电化学沉积（LECD）技术制造微悬臂梁的方法。LECD通过高分辨率、非热处理方式实现了微结构的高精度制造。通过使用直径为20 μm的微阳极，通过LECD技术沉积出了具有不同倾斜角度的微悬臂梁。随着倾斜角度的增加，微悬臂梁的直径先减小后增大。在45°倾斜角度下沉积的微悬臂梁最小直径仅为6.7 μm。使用COMSOL软件进行的模拟显示，倾斜角度通过改变电场和电流密度的不对称分布来影响微悬臂梁的直径。由于电流密度与电场强度成正比，因此可以通过分析电流密度偏移的变化来确定不同电压下的短路接触位置。利用这种制造方法还实现了由微悬臂梁组成的X形和倒H形微结构的制备。倾斜角度控制电场模式为LECD调节电场分布和强度提供了方法，从而实现了微结构直径的减小。这项研究对于利用LECD技术进行微尺度三维制造具有重要意义，并在微探针检测、微机电系统（MEMS）及相关领域具有巨大应用潜力。
引言
金属微悬臂梁具有高柔韧性、优异的导电性和生物相容性，且易于加工并集成到微设备中，这些设备广泛应用于生物和化学传感、热红外检测以及质量传感等领域[1]。金属微悬臂梁在微机电系统（MEMS）和传感器领域发挥着不可或缺的作用[2]。现有的微悬臂梁制造方法主要包括湿法蚀刻[3]、光刻蚀刻[4]、这两种技术的结合以及三维（3D）打印[5]。然而，湿法蚀刻和光刻所需的设备价格昂贵，导致制造成本较高。同时，3D打印技术在微纳尺度上的分辨率仍面临挑战，加工过程中还存在热量损失的问题。相比之下，局部电化学沉积（LECD）技术相比其他制造技术具有稳定性高、效率高、非热处理和成本效益好等优点[6]。特别是在制造三维块状金属微结构方面，LECD的优势尤为显著。LECD作为一种新型的微纳制造技术，能够精确控制金属材料的局部定向沉积尺寸，范围从几微米到几百微米，并且沉积参数可调[7]。这项技术已经引起了全球研究人员的关注。
在利用LECD制造微结构的过程中，微阳极产生的电场有助于金属离子的传输并促进电化学反应，从而在阴极表面沉积金属微结构[8]。LECD的电场是影响沉积区域、形状和直径的关键因素[9][10]。较宽的电场分布会在基底上形成更大的沉积区域，而较高的电场强度会加速金属离子的沉积反应速率[11][12]。Brant等人[13]使用有限元软件开发了一个模拟模型，分析了微阳极电场在微柱顶部和基底上的分布情况。垂直沉积过程中的电场具有对称性，而在微柱逐步生长过程中，边缘电场强度会增强侧向沉积，从而影响微柱的结节度和直径[14]。影响电场强度的因素包括沉积电压和沉积步长。较高的沉积电压和较短的沉积步长会增强金属离子的沉积反应速率[15][16]。铜微柱的沉积电压范围为2.8 V至4.0 V，在3.6 V时可以获得最小的直径[17]。然而，过快的沉积速率可能导致晶体核的形成和生长之间的不平衡，从而恶化微结构的形态。当沉积电压过低或沉积步长过大时，微柱中心和边缘之间的电场强度分布差异会迅速减小[18]。这不仅会减弱金属离子的电迁移效应，还会降低金属沉积的反应速率，导致沉积区域扩大和微柱直径增加。Seol等人[19]采用可变步长方法来控制电场分布，从而调节基底上的沉积区域。Wang等人[20]通过实验确定了最佳沉积电压和步长分别为3.6 V和20 μm，以在LECD中实现镍微柱的最小直径和最佳形态。然而，沉积电压和沉积步长对减小微结构尺寸的效果已达到极限。
在研究了沉积电压和沉积步长对LECD的影响后，人们采用了各种添加剂来减轻电场对LECD金属沉积物直径和形态的影响。Qing等人[17]利用铜离子和氢离子之间的竞争性还原关系，通过增加硫酸浓度来减少电场对铜离子沉积的影响。硫酸不仅抑制了铜离子的沉积速率，还在相同条件下改善了铜微柱的表面形态并减小了其直径。El-Giar等人[21]使用硫脲在微柱表面产生了相对光滑、致密且孔隙率较低的表层。Yang等人[22]利用糖精钠的平整效果增强了镍微柱的表面平整度。这些添加剂在电场作用下被吸附在沉积金属表面，阻碍了金属离子的沉积，从而使表面更加光滑且微柱直径减小。但由于添加剂在高电流密度下会迅速分解，其抑制效果会减弱，导致沉积过程中微结构直径发生显著变化。这一限制限制了它们在LECD中的应用。
得益于研究人员的不懈努力，自1996年首次报道以来，利用LECD成功制造出了各种金属微结构，如高长宽比的微柱[23]、微弧[24]、微柱阵列[25]和复杂微结构[26]。微悬臂梁是增材制造领域的一个重要研究方向。经过集成后，它们被广泛应用于质量检测[27]、传感[28]、医学诊断[29]、电化学评估[30]和微探针[31][32]等领域。由于尺寸依赖性效应，微悬臂梁的机械性能可能会产生意想不到的结果。许多研究人员引入了各种新的微悬臂梁形状和轮廓，并研究了它们对不同特性的影响[33][34]。随着微悬臂梁尺寸的减小，尺寸效应在MEMS和传感器应用中的重要性日益凸显。LECD是一种相对较新的制造金属微悬臂梁的方法，它在制造大规模集成金属微悬臂梁阵列传感器[35][36]方面展现出巨大潜力。因此，研究LECD的加工技术和机制对于制造具有精确倾斜角度的更小尺寸微悬臂梁至关重要。
在本研究中，我们利用LECD系统的3D运动平台控制微阳极的运动轨迹，以在不同倾斜角度下沉积微悬臂梁。研究重点分析了微悬臂梁在不同倾斜角度下的直径和形态变化。同时，还利用LECD开发的微悬臂梁制造方法制备了X形和倒H形的微结构。
实验过程
图1a展示了LECD实验装置的示意图以及微悬臂梁的制造过程。实验的主要组件包括直径为20 μm的铂微阳极、阴极、3D控制平台（PI M-L01，Physik Instrumente GmbH & Co. KG）、直流（DC）电源（Keysight B2901A）和控制PC。微阳极被封装在高硼硅酸盐玻璃管（HBGT）中，仅露出端面。电解质
具有不同倾斜角度的微悬臂梁的沉积
图2展示了在不同倾斜角度下沉积的铜微悬臂梁的扫描电子显微镜（SEM）图像。利用勾股定理计算了微阳极在不同倾斜角度下的水平和垂直移动步长，并四舍五入到小数点后一位。使用Nano Measurer软件在不同区域测量了十次微悬臂梁的直径，然后使用Origin软件计算了均方误差以生成误差条
结论
本研究提出了一种非热、成本效益高的金属微悬臂梁制造技术。通过精确控制微阳极的运动轨迹，利用LECD技术制造出了具有不同倾斜角度的铜微悬臂梁。通过对铜微悬臂梁的比较，我们得出以下结论：
1)在沉积实验中，倾斜角度显著影响了微悬臂梁的直径和形态。直径最初
作者贡献声明
Chuntao Meng：撰写——原始稿件、软件、方法论、数据管理。Ting Zhu：资源获取、项目管理、资金申请。Dengguo Xu：撰写——审稿与编辑、监督、数据管理。Qixin Qing：撰写——原始稿件、实验研究、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了广西科技大学的博士基金项目（项目编号：22z30）和国家自然科学基金的区域基金项目（项目编号：62363001）的支持。我们衷心感谢中南大学机械与电气工程学院为本研究提供必要的设备。
Dengguo Xu于2020年在中国北京工业大学获得控制科学与工程博士学位。他目前是广西科技大学的教授，主要研究方向是人工智能算法和智能制造技术。
