Зазор между электродами: Как подобрать свечной зазор для инжектора? Статья от экспертов автосервиса

Проверка и регулировка зазора между электродами свечи

Техническое обслуживание свечей зажигания включает периодическую проверку их состояния и выявление причин, вызывающих нарушение работы свечей, очистку свечей от накипи, регулировку зазора между электродами и замену изношенных свечей новыми.

Свечи проверяют непосредственно на работающем двигателе неоновой лампой или методом выключения, а также на специальном приборе.

Неоновая лампа позволяет установить наличие высокого напряжения на электродах свечи при работе системы зажигания. Для проверки нужно соединить один провод лампы с массой двигателя, а второй поочередно присоединять к центральным электродам свечей; двигатель должен быть прогрет и работать на малых оборотах.

Если свеча исправна, то неоновая лампа дает яркий, периодически вспыхивающий свет. Слабое свечение или перебои указывают на недостаточное напряжение. Причиной этого является утечка тока высокого напряжения вследствие неисправности самой свечи (сильное нагарообразование, загрязнение или трещина изолятора), однако возможны и другие причины: нарушение изоляции провода высокого напряжения, износ прерывателя и др. Поэтому для точного определения причины нужно неработающую свечу и исправную свечу от другого цилиндра данного двигателя поменять местами и еще раз проверить их работу.

Неисправную свечу можно выявить также последовательным закорачиванием свечей на массу при работе двигателя. Замыкание исправной свечи обычно вызывает снижение оборотов или неравномерность работы двигателя; при замыкании неисправной свечи характер работы двигателя не изменяется. Замыкать свечи на массу можно отверткой с деревянной ручкой или другим проводником, при этом отвертку нужно сначала прижимать к головке блока цилиндров двигателя, а затем подводить к электроду свечи, иначе возможен разряд тока высокого напряжения через руку проверяющего.

При обнаружении перебоев в работе двигателя все свечи необходимо проверить на специальном приборе в среде сжатого воздуха под давлением 7-8 кгс/см².

Для этого проверяемую свечу устанавливают в отверстие камеры, в которую от компрессора подается сжатый воздух под давлением 7-8 кгс/см². В эту же камеру ввертывают эталонную свечу. Затем к электродам обеих свечей последовательно присоединяют провод от индукционной катушки прибора и через окно камеры наблюдают за работой свечей; работу проверяемой свечи сравнивают с работой свечи эталонной. Отсутствие искры, перебои в искрении, а также проскакивание искры по поверхности юбки изолятора указывают на непригодность свечи.

Зазор между электродами свечи проверяют круглым щупом. Зазор регулируется подгибанием боковых электродов при помощи планки с боковой прорезью.

Зазоры между электродами должны быть одинаковыми для всех свечей.

Свечи с сухим или маслянистым темным нагаром очищают па пескоструйном приборе. Для очистки изолятора свечей нельзя применять острые стальные скребки, щетки и другие предметы, от которых на поверхности изолятора образуются царапины, способствующие отложению еще более плотного нагара. Для удаления нагара нельзя прожигать свечи в открытом пламени, так как нагар при этом полностью не удаляется, а изолятор может дать трещины.

Для ускорения очистки свечи струей песка и уменьшения износа изолятора нагар необходимо размягчить, положив свечу на некоторое время в ацетон, бензин или керосин, после чего хорошо просушить. Очищают свечи кварцевым песком с условной зернистостью 1000-2500 отверстий на 1 см², песок с другой зернистостью значительно ухудшает качество очистки и может быть причиной повреждения изолятора и электродов.

При очистке свечи на приборе необходимо вставить ее нарезной частью в резиновую втулку верхнего отверстия корпуса прибора и открыть на 3-5 секунд кран. Песок при этом захватывается струей сжатого воздуха и с большой скоростью направляется на юбку и электроды свечи. После очистки свечу продувают сжатым воздухом для удаления песчинок и частиц нагара, промывают в бензине и проверяют на бесперебойность искрообразования в среде сжатого воздуха.

Свеча зажигания | ТЭК Соболь-Новосибирск

Свеча зажигания — устройство для поджига топливо-воздушной смеси в самых разнообразных тепловых двигателях. Бывают искровые, дуговые, калильные, каталитические.

В бензиновых двигателях внутреннего сгорания используются искровые свечи. Поджиг горючей смеси производится электрическим разрядом напряжением в несколько тысяч или десятков тысяч вольт, возникающим между электродами свечи. Свеча срабатывает на каждом цикле, в определённый момент работы двигателя.

В ракетных двигателях свеча зажигает топливную смесь электрическим разрядом только в момент запуска. Чаще всего, в процессе работы свеча разрушается и к повторному использованию непригодна.

В турбореактивных двигателях свеча воспламеняет смесь в момент запуска мощным дуговым разрядом. После этого горение факела поддерживается самостоятельно.

Калильные и одновременно каталитические свечи используются в модельных двигателях внутреннего сгорания. Топливная смесь двигателей специально содержит компоненты, которые легко воспламеняются в начале работы от раскалённой проволочки свечи. В дальнейшем накал нити поддерживается каталитическим окислением паров спирта, входящего в смесь.

Свеча зажигания состоит из металлической оправы, изолятора и центрального проводника.
Детали свечи зажигания

Контактный вывод

Контактный вывод расположенный в верхней части свечи предназначен для подключения свечи к высоковольтным проводам системы зажигания. Могут встречаться несколько слегка различных вариантов конструкции. Наиболее часто провод к свече зажигания имеет защёлкивающийся контакт, который надевается на вывод свечи. В других типах конструкции провод может крепиться к свече гайкой. Часто вывод свечи делают универсальным: в виде оси с резьбой и навинчивающегося защёлкивающегося контакта.

Рёбра изолятора

Рёбра изолятора предотвращают электрический пробой по его поверхности.

Изолятор

Изолятор, как правило, делается из алюминиево-оксидной керамики, которая должна выдерживать температуры от 450 до 1000°C и напряжение до 60 000 В. Точный состав изолятора и его длина частично определяют тепловую маркировку свечи.

Часть изолятора, непосредственно прилегающая к центральному электроду, наиболее сильно влияет на качество работы свечи зажигания. Применение керамического изолятора в свече предложено Г. Хонольдом вследствие перехода к высоковольтному зажиганию.

Уплотнители

Служат для предотвращения проникновения горячих газов из камеры сгорания.

Металлическая оправа (корпус)

Служит для завинчивания свечи и удержания её в резьбе головки блока цилиндров, для отвода тепла от изолятора и электродов, а также служит проводником электричества от «массы» автомобиля к боковому электроду.

Боковой электрод

Как правило, изготавливается из легированой никелем и марганцем стали. Приваривается контактной сваркой к корпусу. Боковой электрод, зачастую, очень сильно нагревается во время работы, что может привести к калильному зажиганию. Некоторые конструкции свечей используют несколько боковых электродов. Для увеличения долговечности электроды дорогих свечей снабжают напайками из платины и других благородных металлов. С 1999 года на рынке появились свечи нового поколения — так называемые плазменно-форкамерные свечи, где роль бокового электрода играет сам корпус свечи. При этом образуется кольцевой (коаксиальный) искровой зазор, где искровой заряд перемещается по кругу. Такая конструкция обеспечивает большой ресурс и самоочистку электродов. Форма бокового электрода в зоне пробоя напоминает сопло Лаваля, за счёт чего создаётся поток раскалённых газов истекающих из внутренней полости свечи. Этот поток эффективно поджигает рабочую смесь в КС (камера сгорания), полнота сгорания и мощность увеличивается, токсичность ДВС уменьшается.

Центральный электрод

Центральный электрод как правило соединяется с контактным выводом свечи через керамический резистор, это позволяет уменьшить радиопомехи от системы зажигания. Наконечник центрального электрода изготавливают из железо-никелевых сплавов с добавлением меди, хрома и благородных и редкоземельных металлов. Обычно центральный электрод — наиболее горячая деталь свечи. Кроме того, центральный электрод должен обладать хорошей способностью к эмиссии электронов, для облегчения искрообразования (предполагается, что искра проскакивает в той фазе импульса напряжения, когда центральный электрод служит катодом).

Поскольку напряжённость электрического поля максимальна вблизи краёв электрода, искра проскакивает между острым краем центрального электрода и краем бокового электрода. В результате этого края электродов подвергаются наибольшей электрической эрозии. Раньше свечи периодически вынимали и удаляли следы эрозии наждаком. Сейчас, благодаря применению сплавов с редкоземельными и благородными металлами (иттрий, иридий, платина, вольфрам, палладий), нужда в зачистке электродов практически отпала. Срок службы при этом существенно вырос.

Зазор

Зазор — минимальное расстояние между центральным и боковым электродом. Величина зазора — это компромисс между «мощностью» искры, т.е. размерами плазмы, возникающей при пробое воздушного зазора и между возможностью пробить этот зазор в условиях сжатой воздушно-бензиновой смеси.

Факторы, определяющие зазор:

1) Чем больше зазор — тем больше размеры искры, => больше вероятность воспламенения смеси и больше зона воспламенения. Всё это положительно влияет на потребление топлива, равномерность работы, понижает требования к качеству топлива, повышает мощность. Кстати, такие эксперименты уже делали — двигатель работал чуть ли не на парах и разлагающихся при этом молекулах воды.

Внимание! Слишком увеличивать зазор тоже нельзя, иначе высокое наряжение будет искать более лёгкие пути — скажем пробивать высоковольтные провода на корпус, пробивать изолятор свечи и т.д.

2) Чем больше зазор — тем сложнее пробить его искрой. Т.к. пробоем изоляции называют потерю изоляцией изоляционных свойств при превышении напряжением некоторого критического значения, называемого пробивным напряжением Uпр. Соответствующая напряженность электрического поля Eпр = U пр/h, где h — расстояние между электродами, называется электрической прочностью промежутка.

Т.е. чем больше зазор — тем бОльшее напряжение пробоя U пр необходимо. Там есть ещё зависимость от ионизации молекул, равномерности структуры вещества, полярности искры, скорости нарастания импульса .. но это не важно в данном случае. Понятное дело, что высокое напряжение U пр мы не можем поменять — оно определяется катушкой зажигания. А вот зазор h мы поменять можем.

3) Напряжённость поля в зазоре определяется формой электродов. Чем они острее — тем больше напряжённость поля в зазоре и легче пробой (как у иридиевых, платиновых свечей).

4) Пробиваемость зазора зависит от плотности газа в зазоре. В нашем случае — от плотности воздушно-бензиновой смеси. Чем она больше — тем сложнее пробить.

Пробивное напряжение газового промежутка с однородным (ОП) и слабо неоднородным (СНП) электрическим полем зависит как от расстояния между электродами, так и от давления и температуры газа. Эта зависимость определяется законом Пашена, согласно которому пробивное напряжение газового промежутка с ОП и СНП определяется произведением относительной плотности газа δ на расстояние между электродами S,U прf(δS). Относительной плотностью газа называют отношение плотности газа в данных условиях к плотности газа при нормальных условиях (20о С, 760 мм рт. ст.).

Зазор свечей не является константой один раз заданной. Он может и должен подстраиваться под конкретную ситуацию эксплуатации двигателя.
Режимы работы свечей

Искровые свечи бензиновых двигателей по режиму работы условно подразделяют на горячие, холодные, оптимальные. Суть данной классификации — в степени нагрева изолятора и электродов. При работе изолятор и электроды любой свечи должны нагреваться до температур, способствующих «самоочищению» их поверхности от продуктов сгорания топливной смеси — нагара, сажи и т.п. Поэтому изоляторы свечей, работающих в оптимальном режиме всегда цвета «кофе с молоком».

Очистка поверхности изоляторов необходима для предотвращения поверхностных утечек высокого напряжения через слой нагара, что уменьшает мощность искрового пробоя зазора. Однако, если элементы свечи нагреваются слишком сильно, то может возникать неконтролируемое калильное зажигание. Процесс часто проявляется только на больших оборотах. Это может приводить к детонации и разрушению элементов двигателя.

Степень нагрева элементов свечей зависит от следующих основных факторов:

Внутренние: конструкция электродов и изолятора (длинный электрод нагревается быстрее) -материал электродов и изолятора -толщина материалов -степень теплового контакта элементов свечи с корпусом

Внешние:  степень сжатия и компрессии -тип топлива (более высокооктановое обладает бОльшей температурой сгорания) — стиль езды (на больших оборотах двигателя нагрев свечей больше)

Горячие свечи — конструкция свечей специально разработана таким образом, что снижается теплопередача от центрального электрода и изолятора. Применяются в двигателях с низкой степенью сжатия и при использовании низкооктанового топлива. Т.к. в этих случаях меньше температура в камере сгорания.

Холодные свечи — конструкция свечей специально разработана таким образом, что максимально повышается теплопередача от центрального электрода и изолятора. Применяются в двигателях с высокой степенью сжатия, с высокой компрессией и при использовании высокооктанового топлива. Т.к. в этих случаях больше температура в камере сгорания.

Оптимальные свечи — конструкция свечей разработана таким образом, что теплопередача от центрального электрода и изолятора оптимальна для данного конкретного двигателя. Свечи нормально самоочищаются во всех режимах работы двигателя и в то же время не приводят к калильному зажиганию.

Типовые размеры свечей зажигания

Размеры свечей зажигания классифицируются по типу резьбы на них. Наиболее распространены следующие типы свечей: M10×1 M12×1,25 (мотоциклы) M14×1,25 (автомобили) M18×1,5 (некоторые старые двухтактные двигатели).

электричества — Почему напряжение пробоя увеличивается, когда расстояние между электродами уменьшается до определенного значения?

Задавать вопрос

спросил 3 года, 3 месяца назад

Изменено 1 год, 10 месяцев назад

Просмотрено 799 раз

$\begingroup$

Когда я изучал закон Пашена из Википедии, я наткнулся на следующее утверждение:

Пашен изучил напряжение пробоя различных газов между параллельными металлическими пластинами при изменении давления газа и зазора:

• При постоянной длине промежутка напряжение, необходимое для образования дуги на промежутке, уменьшалось по мере снижения давления, а затем постепенно увеличивалось, превышая исходное значение.

• При постоянном давлении напряжение, необходимое для возникновения дуги, уменьшалось по мере уменьшения размера зазора, но только до определенного предела. По мере дальнейшего уменьшения зазора напряжение, необходимое для возникновения дуги, начало расти и снова превысило исходное значение.

Первый пункт был интуитивно понятен. Проводимость газа в разрядной трубке сначала увеличивается с уменьшением давления, так как мы уменьшаем скорость рекомбинации ионов. За определенным пределом она возрастает из-за отсутствия носителей заряда.

Однако второй пункт я не могу понять аналогичным образом. Когда давление фиксировано, говорят, что первоначально напряжение, необходимое для диэлектрического пробоя воздуха, уменьшается с уменьшением расстояния между двумя электродами. Это понятно. Но следующее утверждение кажется мне нелогичным:

.

По мере дальнейшего уменьшения зазора напряжение, необходимое для возникновения дуги, начало расти и снова превысило исходное значение.

Я ожидаю, что разность потенциалов для наблюдения электрической дуги должна уменьшаться с уменьшением размера зазора. Но я не понимаю, почему она должна увеличиваться за пределы определенного расстояния между электродами. Было бы полезно, если бы вы могли объяснить: почему напряжение пробоя увеличивается, когда расстояние между электродами уменьшается до определенного значения?

• электричество
• потенциал
• плазмофизика
• воздух
• диэлектрик

$\endgroup$

$\begingroup$

Пробой зависит от происходящей «Лавины»: положительные ионы, образованные выбитыми электронами из молекул, и отрицательные ионы, образованные выбитыми электронами, прилипшими к нейтральным молекулам, ускоряются электрическим полем. Если они получат достаточное количество KE перед столкновением с другими молекулами, они вызовут образование большего количества ионов. Они также будут ускорены, вызовут большую ионизацию и так далее.

Если плотность газа слишком высока, ионы не получат достаточную KE перед столкновением, чтобы вызвать большую ионизацию, если только pd не будет увеличено.

Если мы будем поддерживать постоянную плотность, меньшему зазору потребуется меньшее pd, чтобы получить электрическое поле, достаточно сильное для того, чтобы ионы приобрели достаточно КЭ между столкновениями для ионизации. Но если зазор меньше нескольких длин свободного пробега, напряжение придется увеличить, чтобы сделать столкновения более энергичными и вызвать большую ионизацию при каждом столкновении, чтобы компенсировать короткую и менее эффективную лавину.

$\endgroup$

$\begingroup$

инициирование пробоя зависит от наличия ультрафиолетовых фотонов. при размещении электродов еще ближе друг к другу становится трудно попасть в зазор УФ-фотонам, чтобы вызвать разряд, и напряжение пробоя возрастает.

$\endgroup$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания и подтверждаете, что прочитали и поняли нашу политику конфиденциальности и кодекс поведения.

Влияние приложенного потенциала и начального зазора между электродами на локализованное электрохимическое осаждение микрометровых медных столбиков

Введение

Поскольку метод локализованного электрохимического осаждения (LECD) был предложен Hunter et al . в 1995 г. быстро развивалась технология изготовления трехмерных микроструктур после травления и микрообработки ^1,2,3 . Метод LECD позволяет изготавливать интенсивные конструкции с высоким соотношением сторон и сложной геометрией. Учитывая, что в этом методе используется гальваническое покрытие с микроанодным управлением (MAGE) ⁴ на открытом воздухе, не требуется высококлассное оборудование и абсолютно чистое помещение ^5,6 , что делает этот метод проще, дешевле и чище, чем обычные гальванопокрытия. Кроме того, было продемонстрировано, что с помощью LECD можно осаждать различные материалы, включая металлы, сплавы металлов, проводящие полимеры и даже некоторые полупроводниковые материалы ^7,8,9,10 .

Чтобы исследовать механизм локализованного электрохимического осаждения, Seol et al . ^11,12 разработал метод микрорадиологии в режиме реального времени с помощью когерентного рентгеновского излучения для мониторинга процесса LECD на месте . Они предложили качественную интерпретацию взаимодействия между диффузией и миграцией ионов металлов в процессе осаждения. Эль-Гиар и др. . ¹³ обнаружили, что электрический потенциал, концентрация раствора сульфата меди и присутствие органических добавок могут влиять на микроструктуру отложений, а также на выход тока процесса гальванического покрытия. Они также предложили оптимальный диапазон приложенного напряжения и концентрации раствора сульфата меди, а также органические добавки для формирования столбиков микромеди с мелкозернистой, гладкой поверхностью и компактной структурой. Лин и др. . ¹⁴ указали, что процесс LECD в режиме импульсного тока (ПК) был лучше, чем в режиме постоянного тока (DC). Ли и др. . ¹⁵ используется анод с более высокой прочностью, чтобы противостоять эффекту кавитации, вызванному образованием пузырьков газа на конце наконечника, и предотвратить изменение направления осаждения с вертикального на горизонтальное. В результате значительно улучшилось уплотнение осажденных медных колонн. Кроме того, были предложены и другие способы изменения состояния гальванического покрытия. Йео и др. . ¹⁶ сообщается, что ультразвуковые колебания могут увеличить скорость осаждения и улучшить концентричность изготовленных микроколонн в процессе LECD, в то же время увеличивая пористость осажденных микроколонн. В их более поздней работе ¹⁷ указывалось, что осаждение с вращением электрода приводит к образованию столбцов с кольцевым поперечным сечением, что указывает на существование однородного полого ядра внутри столбцов. Удивительно, но было проведено очень мало работ по тщательному изучению влияния экспериментальных параметров в процессе LECD на изготовление микрометровых медных колонок. Кроме того, до сих пор мало работ было посвящено влиянию распределения электрического поля на поверхности катода на процесс LECD. Однако мы считаем, что хорошее понимание влияния критических экспериментальных параметров, таких как приложенный потенциал, начальный зазор и распределение электрического поля, на процесс LECD, было бы очень важным для широкого применения процесса LECD для тонкой и сложной микроструктуры. изготовление.

В этой статье потенциал и начальный зазор между электродами регулировались во время процесса LECD для исследования структурных изменений медных столбиков микрометра. Кроме того, процесс LECD также был смоделирован с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics (сокращенно COMSOL), а распределение электрического поля было проанализировано для объяснения механизма различной морфологии поверхности микрометровых медных колонн.

Результаты

Влияние приложенного потенциала на морфологию поверхности, морфологию поперечного сечения и среднюю скорость осаждения медных колонн

На рис. 1 представлены СЭМ-изображения морфологии поверхности медных столбиков и соответствующих им поперечных сечений в месте, отмеченном линией поперек медных столбиков, осажденных при потенциалах 2,4 В, 2,6 В, 2,8 В и 3,0 В соответственно. . Видно, что как поверхность, так и морфология поперечного сечения значительно различаются при разных потенциалах. Когда потенциал составляет 2,4 В, медный столб имеет форму цилиндра с постоянным диаметром, а форма поперечного сечения близка к кругу с небольшим количеством пустот внутри. При повышении потенциала до 2,6 В на медном столбике начинают появляться опухоли. При потенциале 2,8 В появляется явление бифуркации осажденного медного столба, и форма поперечного сечения становится неправильной с некоторыми пустотами внутри. Кроме того, как только потенциал достигает 3,0 В, медный столбик принимает форму дендрифа, а его поперечное сечение полно пустот и трещин.

Рисунок 1

СЭМ морфология микрометровых медных столбиков, осажденных при различных потенциалах, и их соответствующие сечения.

Медные столбики осаждались при ( а ) 2,4 В, ( б ) 2,6 В, ( с ) 2,8 В и ( d ) 3,0 В с исходной зазор между электродами 5  мкм .

Изображение полного размера

Средняя скорость осаждения рассчитывается путем деления общей высоты медного столба на время осаждения. На рис. 2 представлен график среднего тока и средней скорости роста столбцов в зависимости от приложенного потенциала, используемого в LECD, что указывает на то, что средняя скорость осаждения увеличивается с потенциалом. При потенциале 2,2 В средняя скорость осаждения близка к нулю. Однако при повышении потенциала до 3,2 В средняя скорость осаждения возрастает до 23  мкм/с . Экспоненциальная функция, которая соответствует взаимосвязи между потенциалом и средней скоростью осаждения, выражается как

Рисунок 2

График среднего тока и средней скорости роста для столбцов в зависимости от приложенного потенциала, используемого в LECD.

Полноразмерное изображение

где Dr представляет среднюю скорость осаждения, p представляет приложенный потенциал. Таким образом, средняя скорость осаждения увеличивается экспоненциально, когда потенциал находится в диапазоне от 2,2   В до 3,2   В. Эту подогнанную модель можно использовать для прогнозирования средней скорости осаждения при другом приложенном потенциале. Кроме того, как показано на рис. 2, средний ток линейно пропорционален приложенному потенциалу, что указывает на то, что связь между наблюдаемым средним током и скоростью осаждения подобна связи между приложенным потенциалом и скоростью осаждения.

Влияние начального зазора между электродами на морфологию поверхности, морфологию поперечного сечения и среднюю скорость осаждения

СЭМ-изображения поверхности и соответствующие морфологии поперечного сечения (положение столбика меди, отмеченное линией) морфологии меди На рис.0101 мкм , медный столб имеет тенденцию к цилиндрической форме, а внутри поперечного сечения имеются пустоты. При увеличении начального зазора между электродами до 15  мкм медный столб по-прежнему имеет форму цилиндра, но количество пустот внутри поперечного сечения, по-видимому, уменьшается. Когда начальный зазор установлен равным 35  мкм , медный столб имеет тенденцию к конусообразной форме с уменьшением диаметра снизу вверх, и внутри поперечного сечения почти нет пустот.

Рисунок 3

СЭМ морфология для микрометровых медных столбиков, осажденных при различных начальных зазорах между электродами и их соответствующих поперечных сечениях.

Медные столбики наносились на начальный зазор ( a ) 5  мкм , ( b ) 15  мкм и ( c ) 35  мкм с потенциалом 2,4 В

Учитывая, что осажденная микроколонка не имеет идеальной цилиндрической формы. Таким образом, мы сначала вычислили средний диаметр для каждой колонны, как показано на вставке к рис. 4. Если мы определим диаметр произвольного поперечного сечения медной колонны как D _k средний диаметр столбца () для каждого осажденного столбца можно выразить следующим образом:

На вставке показан способ расчета среднего диаметра для одной осажденной микроколонки.

Полноразмерное изображение

где n установлено равным 20 в нашем эксперименте. Затем был получен окончательный средний диаметр с использованием четырех колонок при тех же начальных условиях зазора. На рис. 4 представлен график зависимости среднего диаметра медных столбов от начального зазора между электродами, что указывает на линейное увеличение среднего диаметра с начальным зазором между электродами. При увеличении начального зазора с 5  мкм до 30  мкм средний диаметр колонки изменяется от 56  мкм до 130  мкм . Линейная функция используется для подбора соотношения между начальным зазором и средним диаметром столбцов следующим образом:

, где Da представляет собой средний диаметр столбцов, а h представляет собой начальный зазор между электродами.

Средняя скорость осаждения LECD рассчитывается так же, как указано выше, т. е. путем деления общей высоты медного столба на время осаждения. На рис. 5 представлена ​​зависимость средней скорости осаждения от начального зазора между электродами. Видно, что средняя скорость осаждения уменьшается по мере увеличения начального зазора между электродами. При увеличении начального зазора с 5  мкм до 25  мкм средняя скорость осаждения снижается с 1,53  мкм/с до 0,7  мкм/с . Квадратичная функция используется для подбора соотношения между начальным зазором и средней скоростью осаждения:

Рисунок 5

График зависимости средней скорости осаждения от начального зазора между электродами.

Изображение полного размера

где Dr представляет среднюю скорость осаждения, а ч представляет собой начальный зазор между электродами. Эту подогнанную модель можно использовать для прогнозирования средней скорости осаждения при определенном начальном зазоре.

Обсуждение

Механизм влияния потенциала в процессе LECD

Как показано на рис. 1 и 2, потенциал оказывает большое влияние на морфологию поверхности и среднюю скорость осаждения. Более низкий потенциал будет подавлять скорость осаждения, что означает, что ионы меди могут диффундировать в область LECD и своевременно поставлять потребляемые ионы меди. Следовательно, когда осаждение происходит при потенциале ниже критического значения (~ 2,6  В в нашем эксперименте), осажденные медные столбики имеют компактную структуру, гладкую поверхность и правильную форму. Тем не менее, когда потенциал выше 2,6   В, скорость осаждения намного выше, что затрудняет своевременную диффузию ионов меди для доставки израсходованных ионов меди в область LECD. Таким образом, столбцы Cu имеют тенденцию быть опухолевидными, раздвоенными и дендритной формы ^13,18 .

Как показано на рис. 1, потенциал также может влиять на образование пустот внутри медных столбиков. Во время процесса LECD на поверхности катода происходят две основные реакции. Одна из реакций заключается в том, что ионы меди превращаются в атомы меди, поглощая электроны. Другой — реакция выделения водорода, то есть ионы водорода превращаются в атомы водорода, поглощая электроны. Затем эти атомы водорода объединятся, чтобы стать водородом. Процесс восстановления двух видов ионов на поверхности катода показан на рис. 6. Водород образует пузырьки внутри жидкости после отделения от катода, и они всегда прикрепляются к поверхности катода. Эти пузырьки затем будут препятствовать отложению ионов меди на месте. Если в процессе гальванопокрытия пузырьки водорода все время будут оставаться на поверхности катода, это приведет к образованию пустот или сквозной трещины внутри колонн. Раствор вблизи подложки (под микроанодом) обедняется ионами, необходимыми для разряда при более высоком токе, и если ток превышает предельное значение для данного электролита, одновременно будет выделяться большое количество водорода. по мере осаждения меди, что приводит к образованию большего количества пустот в столбце осажденной меди ¹³ . Поскольку приложенный потенциал пропорционален току, при большем потенциале внутри осажденного медного столба будет образовываться больше пустот.

Рисунок 6

Процесс восстановления ионов меди и ионов водорода на поверхности катода в процессе LECD.

Изображение полного размера

Влияние распределения электрического поля на поверхности катода в процессе LECD

Чтобы понять распределение электрического поля на поверхности катода, процесс LECD моделируется с помощью COMSOL. Плоская модель устанавливается, как показано на рис. 7 (а). В модели ширина анода, ширина катода и высота электролита равны 100  мкм , 1000  мкм и 300  мкм соответственно.

Рис. 7

( a ) Плоская модель, построенная при моделировании в COMSOL. ( b ) Распределение электрического поля на поверхности катода в начальный момент времени (0 с) на первом этапе гальваники при различных начальных зазорах с потенциалом 2,4 В в моделировании.

Изображение полного размера

Поскольку в эксперименте микроанод прерывисто перемещается вверх, процесс гальванопокрытия также является прерывистым. Процесс роста отложений из Ag-подложки до высоты h определяется как первая стадия гальваники. Аналогично, процесс роста отложений с высоты (n-1) h до высоты nh определяется как стадия n ^th гальванического покрытия. Распределение электрического поля вокруг поверхности катода в начальный момент времени (0   с) на первой стадии гальванического покрытия при различных начальных зазорах моделируется, как показано на рис. 7 (б). Видно, что напряженность электрического поля достигает максимума в области вблизи центра катода и быстро уменьшается по мере удаления от центра. Более того, все эти кривые на рисунке практически пересекаются в двух симметричных точках. Напряженность электрического поля для двух точек составляет около 4 × 10 ⁴  В/м, а соответствующая ширина на катоде составляет около 150  мкм , что близко к диаметру дна медного столбика, осажденного при потенциале 2,4 В в эксперименте. Следовательно, может существовать критическая напряженность электрического поля ¹⁹ со значением около 4 × 10 ⁴  В/м. Когда напряженность электрического поля ниже этого порога, осаждение не произойдет.

Как показано на рис. 3, при начальном зазоре более 15  мкм , медная колонна имеет тенденцию к конусу. В то время как начальный зазор меньше 15  мкм , медный столб имеет тенденцию быть цилиндром. Чтобы понять взаимосвязь между электрическим полем и формой медного столба, посредством моделирования получают изменение распределения электрического поля на поверхности катода в процессе LECD. При начальном зазоре между электродами 35  мкм карта распределения напряженности электрического поля всей области гальванического покрытия и распределения электрического поля на поверхности катода в начальный момент времени (0 с) от первой до четвертой стадии Рис. 8. Видно, что напряженность электрического поля достигает максимума в области вблизи центра катода и быстро уменьшается по мере удаления от центра. Кроме того, напряженность электрического поля на более ранней стадии меньше, чем на последней стадии, а ширина с напряженностью электрического поля выше порога (4 × 10 ⁴  В/м) непрерывно сужается, что указывает на то, что диаметр медного столбика, осажденного на катоде, будет становиться все меньше и меньше в процессе гальванического покрытия. Следовательно, это может объяснить образование конических медных столбиков в эксперименте. При уменьшении начального зазора между электродами до 5  мкм карта распределения напряженности электрического поля всей области гальванического покрытия и распределения электрического поля на поверхности катода в начальный момент времени (0 с) с первого по четвертый стадии гальваники при моделировании показаны на рис. 9. Видно, что ширина напряженности электрического поля, превышающая пороговую (4 × 10 ⁴  В/м), практически не меняется, а это означает, что диаметр осажденного на катоде медного столбика не изменится в процессе гальваника. Следовательно, это может объяснить образование цилиндрических медных столбиков в эксперименте.

Рис. 8

( a ) Карта распределения напряженности электрического поля всей области гальванического покрытия, смоделированная с помощью программного обеспечения COMSOL. ( b ) Распределение электрического поля на поверхности катода в начальный момент времени (0 с) от первого до четвертого этапа гальваники. Потенциал 2,4 В, начальный зазор между электродами 35  мкм .

Изображение полного размера

Рис. 9

( a ) Карта распределения напряженности электрического поля всей области гальванического покрытия, смоделированная с помощью программного обеспечения COMSOL. ( b ) Распределение электрического поля на поверхности катода в начальный момент времени (0 с) от первого до четвертого этапа гальваники. Потенциал 2,4 В, начальный зазор между электродами 5  мкм .

Увеличенное изображение

Заключение

В данной работе исследуется влияние приложенного потенциала и начального зазора между электродами на морфологию поверхности и скорость осаждения для осаждаемой медной колонны. Он показывает, что медные колонны правильной формы и компактной структуры изготавливаются при низком потенциале. Когда потенциал становится выше, медный столбик имеет форму древовидной формы. Средняя скорость осаждения увеличивается с повышением потенциала. Медные столбы имеют тенденцию быть цилиндрами, когда начальный зазор между электродами мал, тогда как медные столбы имеют тенденцию быть конусообразными, когда начальный зазор становится больше. Средняя скорость осаждения уменьшается с увеличением начального зазора между электродами.

Согласно моделированию COMSOL, мы обнаружили, что на диаметр медного столба влияет распределение электрического поля на катоде. Когда начальный зазор между электродами достаточно велик, ширина с напряженностью электрического поля выше порога (4 × 10 ⁴  В/м) непрерывно сужается. При малом начальном зазоре между электродами ширина при напряженности электрического поля выше порога (4 × 10 ⁴  В/м) практически не меняется. Различием распределения электрического поля на катоде можно объяснить образование в эксперименте цилиндрических и конических медных столбиков.

Методы

В качестве анода использовали платиновую проволоку (диаметром 100  мкм ), изолированную в капиллярной стеклянной трубке, заполненной эпоксидной смолой. Катод был изготовлен из покрытой Ag подложки Cu (6 мм × 4,5 мм × 0,1 мм), залитой эпоксидной смолой. Передняя поверхность катодной пластины была отшлифована несколькими наждачными шкурками и отполирована влажным способом до получения зеркальной поверхности ²⁰ . Электролит, использованный в этом исследовании, состоял из 0,8 M сульфата меди (CuSO ₄ · 5H ₂ О) при комнатной температуре.

На рис. 10 представлена ​​схема экспериментальной установки для локализованного электрохимического осаждения и последовательные диаграммы, показывающие рост микрометрового столбика меди в процессе LECD. Микроанод приводился в действие микрошаговым двигателем для прерывистого движения вверх и управлялся компьютерным интерфейсом. Поскольку микроанод каждый раз прерывисто перемещается вверх на одну и ту же высоту, процесс гальванического покрытия также периодически повторяется. В начале каждого цикла микроанод находился в контакте с катодом. Перед началом гальванического покрытия микроанод перемещался вверх под управлением микрошаговых двигателей, образуя начальный зазор размером h между кончиком микроанода и верхней поверхностью катода. Когда начался процесс гальваники, медный столбик продолжал расти из Ag-подложки. Как только вершина растущего медного столба коснулась кончика микроанода, микроанод переместился вверх, чтобы получить еще один зазор 90×101 ч 90×102 .

Рисунок 10

( a ) Схема экспериментальной установки для локализованного электрохимического осаждения. ( b ) Последовательные диаграммы, показывающие рост микрометровой медной колонны в процессе LECD.

Изображение в полный размер

Сканирующий электронный микроскоп (SEM) (TESCAN MIRA3 LMU) использовали для исследования морфологии поверхности и микроструктуры микрометрических медных колонок. Чтобы увидеть поперечное сечение медной колонны, ее заливали эпоксидной смолой, а затем полировали до зеркальной поверхности, используя серию наждачной бумаги и суспензию мелкодисперсного оксида алюминия.

Дополнительная информация

Как цитировать эту статью : Wang, F. et al . Влияние приложенного потенциала и начального зазора между электродами на локализованное электрохимическое осаждение микрометровых медных столбиков. Науч. Респ. 6 , 26270; doi: 10.1038/srep26270 (2016).

Ссылки

• Сад, Р. А. Формирование формы микроструктур, изготовленных методом локализованного электрохимического осаждения. Дж. Электрохим. соц. 150, C549–C557 (2003).

  Артикул Google Scholar

• Мэдден, Дж. Д. и Хантер, И. В. Трехмерное микропроизводство с помощью локализованного электрохимического осаждения. Дж. Микроэлектромех. С. 5, 24–32 (1996).

  Артикул КАС Google Scholar

• Шустер Р., Киршнер В., Аллонг П. и Эртл Г. Электрохимическая микрообработка. Наука. 289(5476), 98–101 (2000).

  Артикул КАС ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

• Lin, J. C. et al. Изготовление микрометрических колонок из никеля методом непрерывного и прерывистого гальванопокрытия с микроанодным управлением. Дж. Микромех. Микроангл. 15, 2405 (2005).

  Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

• Саид Р. А. Микротехнология методом локализованного электрохимического осаждения: экспериментальное исследование и теоретическое моделирование. Нанотехнологии. 14, 523–531 (2003).

  Артикул КАС ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

• Чу, Дж. Х., Йео, С. Х. и Тан, Ф. Ф. Гибкие инструменты для локального электрохимического осаждения с микросистемными технологиями проволочного электроразрядного шлифования. микросистема Технол. 10, 127–136 (2004).

  Артикул КАС Google Scholar

• Бард, А. Дж., Хюссер, О. Э. и Крастон, Д. Х. Осаждение и травление с высоким разрешением в полимерных пленках. Патент США 4 968 390 (1990).

• Янссон, А., Торнелл, Г. и Йоханссон, С. Трехмерные микроструктуры высокого разрешения, полученные методом локализованного электроосаждения никеля. Дж. Электрохим. соц. 147, 1810–1817 (2000).

  Артикул КАС Google Scholar

• Lin, J.C. et al. Изготовление микрометрической колонки из сплава Ni–Cu, соединенной с медной микроколонкой для тепловых измерений. Дж. Микромех. Микроангл. 19, 15030 (2009).

  Артикул Google Scholar

• Пан Э, С. и др. Влияние сахарина на локализованное электрохимическое осаждение микроколонок Cu–Ni с высоким содержанием меди. Электрохим. коммун. 13, 973–976 (2011).

  Артикул КАС Google Scholar

• Сеол, С., Пьюн, А., Хву, Ю., Маргаритондо, Г. и Дже, Дж. Локализованное электрохимическое осаждение меди под контролем с помощью рентгеновской микрорентгенографии в реальном времени. Доп. Функц. Матер. 15, 934–937 (2005).

  Артикул КАС Google Scholar

• Seol, S.K. et al. Когерентная микрорадиология непосредственно наблюдает эффект критического расстояния катод-анод при локализованном электрохимическом осаждении. Электрохим. Твердый. ул. 7, стр.95–C97 (2004).

  Артикул КАС Google Scholar

• Эль-Гиар, Э. М., Саид, Р. А., Бриджес, Г. Э. и Томсон, Д. Дж. Локализованное электрохимическое осаждение микроструктур меди. Дж. Электрохим. соц. 147, 586–591 (2000).

  Артикул КАС Google Scholar

• Лин, Дж. К., Чанг, Т. К., Ян, Дж. Х., Чен, Ю. С. и Чуанг, К. Л. Локализованное электрохимическое осаждение микрометрических медных колонок методом импульсного покрытия. Электрохим. Акта. 55, 1888–189 гг.4 (2010).

  Артикул КАС Google Scholar

• Lee, C. , Lin, C. & Lin, B. Улучшение процесса локализованного электрохимического осаждения за счет использования различных анодов и направлений осаждения. Дж. Микромех. Микроангл. 18, 105008 (2008).

  Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

• Йео, С. Х., Чу, Дж. Х. и Сим, К. О влиянии ультразвуковых колебаний на локализованное электрохимическое осаждение. Дж. Микромех. Микроангл. 12, 271–279(2002).

  Артикул КАС ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

• Йео, С. Х. и Чу, Дж. Х. Влияние роторного электрода на изготовление микроструктур с высоким соотношением сторон путем локализованного электрохимического осаждения. Дж. Микромех. Микроангл. 11, 435–442 (2001).

  Артикул КАС ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

• Чанг Т.К. и др. Поверхностная и поперечная морфология микрометровых никелевых колонок, изготовленных методом локализованного электрохимического осаждения. Дж. Микромех. Микроангл. 17, 2336–2343 (2007).

  Артикул КАС ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

• Lin, C.S., Lee, C.Y., Yang, J.H. & Huang, Y.S. Улучшенная медная микроколонка, изготовленная методом локализованного электрохимического осаждения. Электрохим. Твердый. Ст. 8, С125–С129 (2005).

  Артикул КАС Google Scholar

• Ян, Дж. Х., Лин, Дж. К., Чанг, Т. К., Лай, Г. Ю. и Цзян, С. Б. Оценка степени локализации при локализованном электрохимическом осаждении меди. Дж. Микромех. Микроангл. 18, 55023 (2008).

  Артикул Google Scholar

Скачать ссылки

Благодарности

Авторы выражают благодарность Департаменту науки и технологий Китая по программе 973 (контракт №: 2015CB057202), Фонду естественных наук Китая (контракт №: 51575542), проекту Discovery. Государственной ключевой лаборатории высокопроизводительного комплексного производства (контракт №: ZZYJKT2015-09) и Инновационный план CSU (контракт №: 2016CX010) для их поддержки.

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Государственная ключевая лаборатория высокопроизводительного комплексного производства, Чанша, 410083, Китай

   Фулян Ван, Хунбинь Сяо и Ху Хе

2. Школа машиностроения и электротехники, Центральный Юг University, Changsha, 410083, China

   Fuliang Wang, Hongbin Xiao & Hu He

Авторы

1. Fuliang Wang

   Посмотреть публикации авторов

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

2. Hongbin Xiao

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

3. Hu He

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Contributions

F.W. руководил исследованиями и подготовил рукопись. H.X. провел эксперименты и составил рукопись.