微三维可动机构的制作研究

论文摘要

随着MEMS技术飞速发展,集成机械、电子、光学和生物功能的三维微器件或微机构得到了众多研究者的重视。三维微器件或机构可以广泛地用作传感器、执行器等,可以进行控制或能量传输。伴随着器件小型化、集成化的趋势,以UV-LIGA技术为代表的MEMS加工技术得到了广泛的运用,这使三维微结构和三维微机构的制作成为了可能。本文分析了现有的三维微结构制作工艺技术,确定了一种适用的、廉价的、易于实现的三维微结构制作工艺方法;这种工艺方法是一种以SU-8胶厚胶光刻工艺、微电铸工艺、无背板生长工艺和以SU-8胶为牺牲层的牺牲层工艺的组合工艺方法。利用这种工艺,本文直接在金属基底上制作完成了一种三维可动微机构。该机构的微结构部分是可运动的,结构的深宽比达到了8:1,其悬臂长与支撑柱宽度比则达到了33:1。该机构的制作方法可以为这一类微器件的制作提供有用的工艺指导。本文在三维微机构的制作过程中,解决了SU-8胶胶模制作以及微结构生长和可动结构释放等相关问题,并针对低深宽比电铸铸层高度不均匀的现象进行了深入的研究。提出运用阴极分割的方法来重构并改善电流密度在电铸阴极表面的分布,从而改善电铸铸层生长的均匀性。电铸阴极表面电流密度分布的有限元仿真分析和对应的电铸印证实验结果表明,对阴极导电区域进行合理的细分可以改善电流密度在阴极的分布情况,也就是说,阴极分割可以提高铸层生长的均匀性。在实验的结果中,电铸铸层结构中心与边缘的比值由分割前的2.91减小到了分割后的1.88,电铸铸层的均匀性得到了明显的改善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 微三维加工技术的研究现状
• 1.3 微电铸过程中的铸层均匀性
• 1.3.1 铸层的不均匀现象
• 1.3.2 铸层均匀性的研究现状
• 1.4 课题研究内容
• 2 三维微器件制作方法
• 2.1 制作的关键工艺技术
• 2.1.1 SU-8胶的厚胶光刻工艺技术
• 2.1.2 微电铸工艺技术
• 2.1.3 无背板生长工艺
• 2.1.4 牺牲层工艺技术
• 2.2 三维微机构制作工艺路线的确定
• 2.3 本章小结
• 3 三维微可动机构的制作
• 3.1 制作的工艺流程
• 3.1.1 基底的前处理
• 3.1.2 微结构的制作
• 3.1.3 微结构尺寸测量
• 3.2 工艺过程中的技术难点
• 3.2.1 SU-8胶与基底结合力差的问题
• 3.2.2 胶层中的气泡问题
• 3.2.3 铸层与基底以及铸层与铸层间结合力差的问题
• 3.2.4 铸层缺陷的问题
• 3.2.5 SU-8胶的去除问题
• 3.3 本章小结
• 4 改善电铸均匀性研究
• 4.1 阴极分割方法的提出
• 4.1.1 方形区域上的电流密度分布
• 4.1.2 电流密度对电沉积的决定性影响
• 4.1.3 阴极分割的方法
• 4.2 阴极电流密度仿真
• 4.2.1 电流密度场基本方程
• 4.2.2 电流密度仿真的建模
• 4.2.3 电流密度分布的仿真结果
• 4.3 电铸对比实验
• 4.3.1 试验设备和条件
• 4.3.2 实验结果与仿真结果的对比
• 4.4 本章小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢