UV-LIGA-微细电火花加工组合制造技术基础研究

论文摘要

MEMS （Micro Electromechanical System）技术作为新兴技术,受到学术界、产业界和政府部门的极大重视,已经在信息、精密机械、汽车、航空航天、生物医药和国防等领域得到较广泛应用。微细加工是MEMS和Micro/Meso尺度结构器件的实现基础和技术关键。以具有优越热力学、光学和化学性能的SU-8系列光刻胶为光敏材料、紫外光为曝光光源的UV-LIGA技术,是借用LIGA（德语:LIthograpie,Galvanoformung,Abformung三词缩写,由X射线光刻、电铸成型和塑铸成型等三个主要工艺步骤组成）工艺思路,且制造成本低廉、工艺可控性好、易于实现批量生产、胶模制作质量高的新型高深宽比三维Micro/Meso结构技术,是近年微细加工领域的研究热点。微细电火花加工作为一种低成本、高材料选择度的柔性非接触式加工技术,在微制造中具有独特的工艺优势,尤其在加工Micro/Meso尺度金属结构器件方面表现突出。整合UV-LIGA和MicroEDM各自工艺优点而形成UV-LIGA-MicroEDM组合加工技术以制造形状复杂、材料性能优越或特殊的Micro/Meso尺度结构器件,是微细加工的创新性思路。本文在国家自然科学基金（50375073）和两项江苏省自然科学基金（BK2002206、BK2004214）的资助下,围绕UV-LIGA及其与微细电火花加工技术组合以制造Micro/Meso尺度金属结构器件的一些技术基础和工艺关键进行了探讨与研究。全文共七章:第一章概述了UV-LIGA及其与微细电火花组合加工的研究现状、技术关键以及本文的研究内容。第二章描述了SU-8胶光刻各操作环节的工艺基础和技术难点,以金属基片上制备厚度100200μm胶模为对象,试验研究并优化了前烘、曝光、后烘等工艺环节的操作条件及工艺参数。相比硅基片SU-8胶光刻工艺,降低前后烘程度和适度提高曝光剂量,并辅助超声振动去除胶中气体、静置、随炉冷却等措施,能大大改善胶模质量。试验研究并分析了超声功率对不同特征类型（阳型和阴型）胶模结构显影质量的影响并优选了各自适宜的功率大小,阳型结构实施的超声功率要比阴型结构要低一定值。分析了不同金属片（不锈钢和铜）不同特征类型（阳型和阴型）胶模去胶的工艺特点,并开展了相应试验研究,用NMP去胶液作为去胶试剂,辅助加热、溶液超声振动搅拌、热胀冷缩等措施,获得较为理想的去胶效果。在此基础上,制备出了轮廓清晰,表面质量好,无明显缺陷,与基底粘结性强的平面微线圈、微型流道、微型柔性探针和筛网等胶模。第三章在分析电沉积时电极过程液相传质方式及其作用规律的基础上,探讨了微细电铸时物质输运受限的影响因素,建立了微深槽类特征电沉积时液相传质的两种数值分析模型（一维模型和二维模型）,分别描述多种物质组分的扩散、电离、电迁移和电沉积的动力学过程和单一物质组分在强制对流、自然对流和扩散等综合作用下的物质传输情

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 微结构、微器件和微系统
• 1.2 金属Micro/Meso 结构加工技术
• 1.3 UV-LIGA 及其与微细电火花加工技术组合
• 1.4 本文研究意义与主要内容
• 1.5 本文研究主要创新点
• 第二章 SU-8 胶光刻工艺研究
• 2.1 引言
• 2.2 SU-8 胶及其光刻工艺基础
• 2.3 金属基片SU-8 胶光刻工艺试验研究
• 2.4 本章小结
• 第三章 微细电铸液相传质过程数值分析
• 3.1 引言
• 3.2 电化学沉积和液相传质理论基础
• 3.3 扩散传质过程数值分析
• 3.4 对流－扩散传质过程数值分析
• 3.5 温度梯度条件下复合对流－扩散传质
• 3.6 本章小结
• 第四章 微细电铸试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 微细电铸工艺基础
• 4.3 实验方案拟定
• 4.4 微细电铸工艺路线
• 4.5 阴极放置方式对电铸件形貌质量的影响
• 4.6 交替降压/高速冲液搅拌－热梯度微细电铸试验研究
• 4.7 超声电铸微器件试验研究
• 4.8 本章小结
• 第五章 微细电火花加工工具电极耐电蚀性研究
• 5.1 引言
• 5.2 电极损耗的影响因素及降低电极损耗的措施
• 5.3 电铸电极材料电蚀性试验
• 5.4 结果与分析
• 5.5 电铸铜电极材料抗电蚀性综合分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 UV-LIGA 和Micro EDM 组合加工初步试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 UV-LIGA 和Micro EDM 组合加工工艺基础
• 6.3 组合加工试验研究
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文