金属微结构电铸成型的流场性能研究

为改善高深宽比金属微结构的电铸成型质量,在分析微细电铸的流场特性的基础上,深入研究了铸层厚度的不均匀现象及搅拌方式、流场分布对微细电铸的影响.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,搅拌速度对电铸传质过程影响减小,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、改善传质.实现了高分辨率,侧壁陡直的金属微结构的电铸成型.     

微细电铸电流密度的有限元分析

微细电铸过程中,阴极表面的电流密度分布直接影响沉积层的质量.通过对电沉积基本原理的分析,得到了电流密度及其分布对电沉积过程和沉积层质量的影响关系,结果表明,阴极表面金属层的沉积速率与电流密度成正比,沉积层厚度分布与电流密度分布一致.重点利用有限元方法对电沉积系统中电流密度进行了计算,对于不同形状和不同导电化处理方法的微结构,计算结果表明,在导电基底上制作微结构模型以有利于电沉积的结晶;设计用于微细电铸工艺的微结构时,应尽量避免侧壁与基板为锐角的结构,应选取较小的深宽比.从而为基于微细电铸工艺微结构设计的优化提供了基础.     

MEMS微结构电沉积层均匀性的有限元模拟

利用有限元软件ANSYS对MEMS微电铸Ni工艺进行电场模拟,研究了光刻胶厚度、线宽以及片内辅助电极参数对微结构表面电场分布均匀性的影响.根据模拟结果,利用微电铸试验研究了微结构单元尺寸以及辅助极距离和大小对于微结构层厚度均匀性的影响.模拟和试验结果均表明,微结构单元尺寸是影响其均匀性的主要因素之一,合理添加片内辅助极是提高微结构铸层厚度均匀性的有效方法.而且,有限元分析软件ANSYS可以对微结构的电镀过程进行有效的模拟分析.     

LIGA/准LIGA技术微电铸工艺研究进展

微电铸是相对于常规电铸工艺而确立的新概念,它是适用于微小结构成型而建立的批量加工技术,既可以看作是在微细加工模具基础上的传统电铸技术的延伸,也可以认为是掩膜电镀在高深宽比方向发展的结果,微电铸工艺是LIGA/准LIGA技术的核心内容,在MEMS技术领域有广泛应用.介绍了电铸和微电铸的原理和特点,系统分析了微电铸过程的电化学本质,综述了微电铸技术研究的最新进展,给出了一些为大家所共识的微电铸镍基本工艺规范.     

平面电磁型微电机定转子制作工艺

为了在平面微电机有限大尺寸的定子上制作大深宽比结构的绕组线圈,对大深宽比微结构的制作工艺进行了研究,综合比较各方面因素,从中找出了成品率高、可重复性好、工艺步骤简单的平面线圈的制作工艺,即在Si沟槽里通过微电铸得到大深宽比平面铜线圈的深刻蚀成型电铸工艺;分析了光刻工艺关键参数之间的关系及对后续工艺的影响。通过该工艺制作的直径10mm定子线圈深宽比较大(宽40μm、深80μm),且无空洞。该工艺有很大的深宽比挖掘潜力,也可应用在其他需要较大深宽比平面线圈的微执行器的制作中。     

平面微电机定子线圈制作工艺研究

为了在平面微电机有限大尺寸的定子上制作高深宽比结构的绕组线圈,对高深宽比微结构的制作工艺进行了研究,综合比较各方面因素,从中找出了成品率高、可重复性好、工艺步骤尽量简单的平面线圈制作工艺,即在硅沟槽里通过微电铸得到高深宽比平面铜线圈的深刻蚀成型电铸工艺,并分析了光刻工艺关键参数之间的关系及对后续工艺的影响。通过该工艺制作的直径为10 mm的定子线圈深宽比大(宽40μm、深80μm),无空洞,并且在工艺上还有很大的深宽比挖掘潜力。该工艺亦可应用于其他需要高深宽比平面线圈的微执行器的制作中。     

LIGA工艺中微电铸工艺研究

为了得到微米级的微型结构,先用准分子激光加工高深宽比的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微孔结构,并以此和光刻成型的微结构作为模具,进行了微电铸试验,通过对电镀参数方法进行调整和优化,改善了微结构加工中镀液难以进入孔隙、浓差极化严重、结晶粒子不能得到及时补充等缺点,得到了线宽为10μm级的微型结构.为进一步的微结构加工奠定了基础.     

微电铸图形表面平面度提升技术

微电铸技术是制备小尺寸、高精度金属微结构的常用技术.然而,在进行铜微电铸时,产品表面电流密度的分布呈现边缘大、中间小的趋势,从而导致了电铸层厚度分布不均匀的现象.此外,对于同一电铸图形,其边缘和中心的高度分布也不同.采用高精度机械研磨技术结合化学机械抛光技术,可提升微电铸图形的表面平面度.研究表明,152.4 mm幅面...     

一种利用PDMS工艺解决SU-8去胶问题的方法

提出了一种解决SU-8去胶难题的方法.该方法首先将SU-8微结构用PDMS进行复制,然后利用复制的PDMS微结构进行下一步的电铸,电铸完成后只要简单地将PDMS揭下即可释放出金属模具.通过该方法制备得到了深宽比达到10的金属模具,而且模具表面光滑,侧壁垂直.     

玻璃纤维增强SU-8胶技术

SU-8胶是一种能够以低成本制作高深宽比微结构的负性光刻胶,在非硅微电子机械系统(MEMS)领域具有广阔的应用前景。针对SU-8胶作为微结构材料时,其弹性模量和断裂强度较低的特性,采用透明度高的微细玻璃纤维作为增强相材料,制备玻璃纤维/SU-8复合材料。开发出一种既能够增强成型后SU-8微结构机械强度,又不影响SU-8可直接光刻成型能力的改性技术。通过光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对该复合材料的微观结构进行了分析和表征。同时,利用拉伸实验对复合材料的机械性能进行测试。实验结果表明,在不改变紫外光刻电铸(UV-LIGA)的光刻-显影工艺特征的条件下该复合材料的弹性模量(1 613 MPa)、断裂伸长率(1.63%)和断裂强度(26.7 MPa)均比纯SU-8胶材料有较大提升。     

粉末流场数字图像处理技术的一种新算法

在基于激光同轴送粉的激光制造中，金属粉末流场的分布与特性对制造质量具有重要影响。针对激光同轴送粉金属粉末流速度场提出一种新的分级式搜索算法。通过CCD相机直接记录粒子图像的运动序列，应用新算法编制的粉末流场照片图像处理程序对数字化阵列进行快速分析处理，用分级搜索的方法找到粒子图像上相关度最大的两个小区域，用它们之间的位移除以两次拍照的时间间隔，得到该小区域的速度矢量，就可得到粉末流的速度场。本算法比传统算法减少了运算时间，提高了分析效率。     

SU-8胶微结构的显影技术研究

突破了传统深宽比概念,提出金属基底上基于图形特征的光刻胶显影技术,对采用SU-8胶加工高分辨率和高深宽比微结构的显影工艺进行了讨论,分析了120～340μm厚具有不同图形特征的SU-8胶显影规律,认为在同样条件下,凸型图形显影效果优于凹型非连通性图形;曲线型显影效果优于直线型图形与点状图形;圆弧连接的图形显影效果优于尖角型图形。显影时辅助适当功率的超声搅拌显著改善图形质量,凸型结构最佳超声功率小于10W;凹型结构超声功率为15W左右;深宽比为5～7的凸型胶膜结构适宜显影时间为10min以内,凹型结构显影时间达25min。     

外加磁场对不锈钢激光热丝焊的影响

为了研究磁场对激光焊接的影响,采用在工件旁放置永磁铁、提供横向或者纵向常磁场对不锈钢进行激光电流热丝焊接的方法,结合焊缝横截面形状以及焊缝组织等,对不同磁场下激光热丝焊接头进行了分析。结果表明,磁场的加入对焊接过程和接头形状有显著影响,适当的磁感应强度能稳定激光热丝焊接过程,磁感应强度过大则易造成大量飞溅;焊缝接头的形状随磁场的方向、极性以及磁感应强度的变化而改变;横向磁场的加入能提高激光热丝焊接效率;磁场还能减少焊缝柱状树枝晶区域,促进胞状晶的形成,提高焊缝的显微硬度值。外加磁场在焊接熔池中产生了安培力,安培力是搅拌熔池的主要作用力,从而改变液态金属流动,造成激光热丝焊接头形状和组织的改变。     

转动腔体中射流特性的有限元分析

论述了采用有限元法分析转动腔体中射流特性。利用ANSYS-FLOTRAN CFD软件,通过建模、划分网格、加载和求解等途径,计算了在输入不同角速度时二维腔体中由喷嘴喷出气体的流场。结果表明,腔体静止时,射流速度沿腔体中心轴对称分布,腔体中心轴上的速度最大,两侧流速逐渐减小,近壁处为零;腔体转动时,在哥氏力的作用下,射流中心发生偏转,流场相对于腔体中心轴不再对称分布,腔体中各点处的流速分布随角速度而变化,压电射流角速度传感器利用这一特性敏感角速度。     

Strategies to Improve Field Emission Performance of Nanostructural ZnO

Nanostructural ZnO is a good candidate for field emission (FE) because of its high aspect ratio, controllable electrical conductivity, and good thermal and chemical stability. In order to improve the FE performance, ZnO nanopins, gallium-doped nanofibers, periodic nanorod arrays, and aligned nanotubes were designed and fabricated by a vapor-phase transport method using ZnO + C and ZnO + C + Ga₂O₃ powder mixtures, electrochemical deposition, and hydrothermal decomposition, respectively. The FE behaviors including threshold of electric field, emission current density, field enhancement factor, and stability are reviewed in this paper based on our previous works. Some strategies to improve the performance of the nanostructural ZnO field emitters are demonstrated.     

电场作用下金属元素对W-Cu合金快速烧结的影响

采用Gleeble—3500D热模拟机,在电场和大热流密度条件下,研究了金属元素(Fe、Co和Ni)对W-20%Cu合金电场快速烧结的影响。结果表明:经800℃烧结3min,可获得晶粒较细小、显微组织较均匀的烧结体;添加金属元素能有效抑制晶粒长大。质量分数为0.35%的Fe、Ni和Co分别使其平均晶粒尺寸由1.0μm减小到0.6,0.6和0.3μm。金属元素的加入,对烧结体的致密化和硬度不利。     

激光熔覆中粉嘴流场的数值模拟

建立了激光熔覆中由粉嘴输出的保护气体-金属粉末两相流场计算模型,应用FLUENT软件进行计算。该模型中考虑了两相流中动量和质量的传输。分析了金属粉末流场的水平方向和中心线上的速度分布规律,以及粉嘴内外粉末流的速度矢量分布规律。计算结果表明,中心线处粉末流速度分布先呈现微小的增大减小过程,而后单调递增,大约从粉嘴下方100 mm后呈线性递增;速度水平分布先在中心线附近达到最大而后在径向距离6~11 mm区间内线性递减至零。在相同的工艺参数下,应用数字粒子图像测速(DPIV)技术对同一流场进行检测,计算值和测量值吻合较好。结果表明,所建立的保护气体-金属粉末流速度场模型是可靠的,该模型对掌握流场参数分布和进一步指导粉嘴尺寸设计有一定的参考作用。     

超声流量计管道流场的模拟与分析

针对非理想流场对超声流量计测量的影响,研究单、双弯管流场的流速分布特征。通过对理想层流、湍流的模拟计算,得出单、双弯管流场的流速分布关系。通过流速分布曲线和流速等值线分布情况可以看出,单弯管流场的二次流分量是两个对称的涡,纵向截面的线平均速度是对称的。双弯管流场的二次流是单一的涡,在截面侧后方会出现回流,使速度等值线及截面线的平均速度分布很不规则。     

单根碳纳米管场致发射表面电荷分布研究

考虑碳纳米管尺寸及端帽形状,计算得到了比较精确的金属型纳米管表面电荷密度相对分布曲线。与先前的理论结果作比较,消除了曲线上的波动,曲线相对抬高,尖端附近电荷量所占比例减小。进一步研究了长度、半径和长径比对电荷密度相对分布曲线的影响,表明长度主要影响管身电荷密度相对分布,半径主要影响尖端电荷密度相对分布。在忽略其他条件影响下,长径比相同的碳纳米管,电荷密度相对分布曲线趋势完全相同。