活动屏蔽膜板高深宽比微细电铸技术研究

针对金属微结构器件制造难的问题,提出了活动屏蔽膜板高深宽比微细电铸技术,通过屏蔽膜板动态地限制电沉积的区域,可以用低深宽比的膜板图形加工出高深宽比的金属微结构,并且免除了去胶等难题。在对活动屏蔽膜板微细电铸电场及传质进行分析的基础上,开展试验研究,获得了特征尺寸为500μm,深宽比分别为3和5的微静电梳状驱动器梳齿及微圆柱电极阵列。
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屏蔽膜板随动式微细电铸技术基础研究

提出了屏蔽膜板随动式微细电铸技术，屏蔽阳极膜板随电沉积层的增加而微量移动，从而可以用厚度有限的屏蔽层制造出原理上高度不受限制的三维金属微结构。针对该工艺的特点研制了试验装置，利用紫外光刻制作的屏蔽阳极膜板开展了两种随动方式的研究，分别得到了侧壁陡直的微齿轮和具有倾斜轮廓的微十字结构。     

金属微结构阵列的电铸成型技术研究

详细讨论了微结构的电铸特点,在分析微细电铸的电场与流场特性的基础上,深入研究了铸层厚度的不均匀现象及搅拌方式、电流密度对微细电铸质量的影响。得出：由于高深宽比胶膜存在,单一搅拌对电铸区域的影响只集中在微区的入口部分。扩散过程成为金属沉积的限制性因素;随着胶膜深宽比的增大,电场等势线弯曲的程度加大,导致电铸微区内金属离子传输能力不均匀。实验表明：微细电铸过程中,搅拌速度提高并不能改善金属沉积的传质条件,辅助超声的复合搅拌在相同条件下能提高金属沉积速度、减少铸层缺陷;最佳电流密度不宜超过0.9～1.0A/dm2。实现了高分辨率,侧壁陡直的金属微结构的电铸成型。     

高深宽比微细结构电铸时传质过程数值分析

针对高深宽比微细结构电铸时存在严重传质受限的问题,以微深槽特征为分析对象建立液相传质两种数学模型——维扩散模型和二维对流—扩散模型,并分别用Matlab专用工具箱和Fluent 6.2流体仿真软件进行数值求解,依次分析以扩散、强制对流－扩散、复合对流(强制对流和自然对流)－扩散等为主导传质模式作用下微细电铸时,流场和离子浓度场的空间变化规律及其对液相传质效果的影响,并进行试验验证。结果表明：微细结构电铸时,单一扩散作用仅能用于深宽比小于2且电流密度小于2 A/dm2的液相传质场合;槽外强制对流只能对深宽比小于2的微槽内电解液产生一定搅拌作用;强化槽内自然对流作用并与槽外强制对流协同配合时,槽(深宽比为5)内可形成独特的单个或多个占据整个槽空间的涡流循环胞,涡流流速约为强制对流流速的1/20～1/2,明显改善传质效果,试验结果与此相印证。     

金属微结构阵列的电铸成型

在分析微细电铸的电场与流场特性的基础上,深入研究了铸层厚度的不均匀现象及搅拌方式和电流密度对微细电铸质量的影响.由于高深宽比胶膜的存在,单一搅拌对电铸区域的影响只集中在微区的入口部分,扩散过程成为金属沉积的限制性因素;随着胶膜深宽比的增大,电场等势线弯曲的程度加大,导致电铸微区内金属离子传输能力不均匀.实验表明:微细电铸过程中,搅拌速度提高并不能改善金属沉积的传质条件,辅助超声的复合搅拌在相同条件下能提高金属沉积速度,减少铸层缺陷;最佳电流密度不宜超过0.9～1.0 A/dm2.基于该项技术,实现了高分辨率、侧壁陡直金属微结构的电铸成型.     

在金属基底上制作高深宽比金属微光栅的方法

根据光学领域对高深宽比金属微器件的需求,利用UV-LIGA工艺在金属基底上制作了具有高深宽比的金属微光栅。采用分层曝光、一次显影的方法制作了微电铸用SU-8胶厚胶胶模,解决了高深宽比厚胶胶模制作困难的问题。由于电铸时间长易导致铸层缺陷,故采取分次电铸等措施得到了电铸光栅结构;同时通过线宽补偿的方法解决了溶胀引起的线宽变小问题。在去胶工序中,采用"超声-浸泡-超声"循环往复的方法。最终,制作了周期为130μm、凸台长宽高为900μm×65μm×243μm的金属微光栅,其深宽比达到5,尺寸相对误差小于1%,表面粗糙度小于6.17nm。本文提出的工艺方法克服了现有方法制作金属微光栅时高度有限、基底易碎等局限性,为在金属基底上制作高深宽比金属微光栅提供了一种可行的工艺参考方案。     

用SU-8胶加工微结构的试验研究

以正交实验设计为研究方法,对采用负性光刻胶（SU-8）加工高分辨率和高深宽比微结构进行了工艺研究,得出：前烘温度与前烘时间对光刻质量影响最大,对120~340μm厚的光刻胶,前烘温度取90℃,前烘时间50~120min时图形质量最佳。分析了高深宽比微结构电铸的特点,实验表明传质是微细电铸的限制性环节。实现了光刻、电铸加工微结构的工艺参数优化。     

微小型结构件的微细切削技术

高深宽比微小型结构件是微小型系统的重要组成部分。微细切削技术是面向金属与合金等非硅材料微小型结构件精密加工需求的关键技术。本文结合微小型结构件的特点和加工需求,分析了微细切削的主要形式、适用范围和技术体系。在此基础上讨论了微细切削在加工材料、三维加工能力等方面的技术优势,以及在加工精度和批量生产能力等方面的局限性。认为微机电引信和微惯性器件将是微细切削的主要应用方向。     

旋转电极电解电火花切割玻璃微结构试验研究

针对高深宽比非导电硬脆材料(如石英玻璃和陶瓷)微结构的加工需求,对微细电解电火花切割加工方法进行了深入研究。首先,提出了使用旋转螺旋微工具电极的电化学放电切割方法,并对切割缝宽模型进行了讨论;其次,对旋转螺旋电极电解电火花切割加工工艺进行了深入的试验研究,试验研究了加工电压、脉冲频率、占空比和主轴转速这些关键工艺参数对切割加工精度的影响。实验结果表明,缝宽随着施加电压和占空比的增加而增加,随着频率、主轴转速和进给速率的增加而减小。最后,通过优化后的参数成功加工出缝宽为135μm的微缝阵列、复杂的封闭微结构以及深宽比达6∶1的微图形结构。由此表明该方法是一种可有效加工高深宽比绝缘硬脆材料微结构的新工艺。     

无基膜高深宽比双面集成微结构元件的制作

基于双面集成微结构薄片元件在集成光学成像、光束整形等方面的应用日益普及,针对其中一些一体化、高深宽比结构在制作方面的难点问题,本文提出一种无基膜支撑、高深宽比的双面集成微结构元件的制作新方法——紫外压印改进技术。通过该方法,成功地制作了无基膜、高深宽比结构的集成导光板样品;样品上下表面微结构形貌与金属模具在误差范围内保持一致,转印复制过程的物理结构形变小,且样品的厚度整体均匀、平整无翘曲。实验结果表明,本文提出的紫外压印改进技术方法能有效地制作无基膜支撑、双面集成高深宽比的微结构元件,可望在集成光学成像及光束整形、匀光、导光、聚光等光学器件制作领域有良好应用。