（材料加工工程专业论文）化学铸（镀）制备nip合金微构件的研究.pdf

末囊大学磺童学毽瓷文 摘要 摘要 m e m s 是徽电子按零与謇毛棱、光学领域结合焉产熏瓣，是2 0 毽鳃9 0 年代秘兴超麴薮 技术。m e m s 与宏观机电系统相比，不仅几何尺寸太夫缩小，其自舞还有传统理论难以作 出解释和预测的特定规律。m e m s 的材料与加工技术是m e m s 技术的主要组成部分。 m e m s 发源于微电子技术，其材料仍以醚为主，主要加工技术则借厢丁半导体工艺。不过， 由于m e m s 鹃疰翔涉及多令疆域，箕糕料与热工手簸簧浇集畿毫鼯率富褥多。m e m s 掰 用的材料按性质可以分为结构和功能材料两类。在制造m e m s 的徽加工技术领域里，主要 包括l i g a 技术，硅加工技术，精密机械加工技术，激光b o i 技术等。l i g a 技术是刹用光 熬 技术避蠢擞瓤械结毒奄萋拜零谗粒翔王，露光蘩技术又麓瓤子器薛生产戆一静方法，嚣鼗在寅 法上就实现了微电子与微枫械的结合，为微系统技术发展提供一种强霄力的实现方法。由于 l i g a 技沭县有精度高、结构深等优点得到了许多国擞政府和企业的高度重视。发展迅速， 已经成为m e m s 加工的盎流技术。毽是内于其设备非常昂贵，掩模镥佟复杂，严薰戳制了 其遘一多捺广。于是久翻试毽开发出套种可鞋与l i g a 接术效果接近翡准l i g a 技术，毅翅 推动m e m s ( 特别是可幼m e m s ) 的发展。 基耱，l i g a 技拳耧器秘准l i g a 技本部是采嗣毫谑熬方法寒淀羧爨擞金属梅搏，露恁 学铸( 镀) 工艺与电铸工茬相耽较，有鬻谗多其所无法耽襁的优点。翔无需井如电源、没有 边缘效应、镀层更均匀等；如果用化学锩替代电铸，可以进一步简化置忧，节约成本，提高 性能。目黼在国内还没谢开展这方面的研究。 本文对这种工艺的可行性进行了探索性豹研究。蓄先对现有的讫攀铸( 镀) 工艺滋行了 配方改良和工艺参数优化，提高了其沉积速率，同时保_ i 难较好的镀层性能和表面质量进一 步研究了热处理对镀层的影响，对相关过程进行了理论分析；还初步探讨了镀层的前期沉积 过程，弗撼瞧了镀屡垒长麴塞鼹物理攒鬃。弱跨逶连累缝试验，裁定了铯学铸( 镀) 微擒捧 制各工慧，并进行了忧纯调整，成功翩备出了具有一定厚度的复杂撇构件徽镶齿轮。结 果证明，本文开发出的新烈的化学铸法制备微金属构件的准l i g a 工艺是可行的，它能够满 足多种形状微构件加工的需要。 关键词： 微金属齿轮 微机电系统( m e m s )化学铸( 镀)准l i g a 技术 东南大学硕士学位论文 a b s r a c t a 黔s t r a c t m i c r o - e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y 譬t e m s ( m e m s ) i san e w l yd e v e l 唧i e dt e c h n o l o g yi n1 9 9 0 s 。a r t i n t e g r a t i o no fs u c hs c i e n t i f i cf i e l d s8 sm i c r o c l e c t r o n i a s 。m e c h a n i c sa n do p t i c s c o m p a r e dw i t h g t a e r a le l e c t r o - m e c h a n k m ls y s t e m s , m e m si sa d v a n t a g e o u sn o to n l yb e c a u s eo fi t sm u c h s m a l l e rs i z e ，b u ta l s ob e c a u s ei te n j o y ss p e c i a ll a w st h a te a r lh a r d l yb ee x p l a i n e db yc o n v e n f i o n m t h e o r i e s 。i t sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y m a i n l y n c i u d e sl i g a ，s i l i c o n sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , m i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g y , l a s e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n ds oo n l i g ai sa d o p t e dt op r o d u c e m i c r o m e c h a n i c a ls t r u c t u r e sa n dp a r t sb y 韵粼o f 墩晚誊嘲t h a ti su s e dt op r o d 端ee l e c t r o n i c d e v i c e i t t h u si n t e g r a t e sm i c r o e l e c t r o n i c sa n dm i c r o - m e c h a n i a sa n dt h e mp r o v i d e sa ni d e a lw a yt o f a b r i c a t em e m s ， h a v i n gs u c ha d v a n t a g e sa sh i g h e rp r e c i s i o n ，d e e p e rs t r u c t u r e ，e t c , l i g ah a sd r a w nm u c h a t t e n t i o nf r o mm a n yg o v e r n m e n t sa n de n t e r p r i s e sa n di sn o wo fm o i m p o r t a n c ei nf a b r i c a t i n g m e m s 。b u ti t s 钩瘟黼瓣a 糙v e r ye x p e n s i v ea n dt h ex - m yl i t h o g r a p h ym a s kf a b r i c a t i n gi sv e r y c o m p l i c a t e da n dd i f f i c u l t , s ot h a tt h ed e v e l o p m e n to fl i g ai sb a d l yd e f i n e d i no r d e rt or e a c ha s i m i l a re f 螽e c t 抽t h a to f l i g a p e o p l eh a v eb e e n t r y i n gt od e v e l o pm a n yq u a s i * l i g at e c h n o l o g i e s w i t ht h ea i m 协p r o m o t et h ed e v a l o p m e mo f m e m s n o w , m i c m - m c t a l c o m p o r t s n t sa 强d e p o s i t e db ye l e c t r o f o r m i n gi nl i g aa n dq m a i - l i g a p r o c e s s i n g c o m p a r e dw i t hd e c t r o f o r m i n g , e l e c t r o l e s sp l a t i n gi so fh i g h - u n i f o r m i t y , n e e d sn o p o w e r - s u p p l ya n dc s u s e sn o 蝌辨e f f e c t 。i fs u b s t i t u t i n ge l e c t r o l e s sp l a t i n gf o re l e c t r o f o r m i n g , i t g a l lb em a d ep o s s i b l et h a tp r o c e s s i n ge s nb es i m p l i f i e d ，c o s t ss a v e d ，a n dp r o p e r t yi m p r o v e d h o w e v e r , l i t t l er e s e a r c hg u nb ef o u n di nt h i sf i e l dn a t i o n w i d e i nt h i sp a p e r , t h ef c a s l b i l i t yo f t h i sn e wt e c h n o l o g yw s s t e n t a t i v e l ys t u d i e di ns e v e r a ls t e p s8 s f o l l o w s ：f i r s t l y , w no p t i m i z e dt h ec o m p o u n d i n ga n dp a r a m e t e r so ft h ee l e c t r o l e s sn i - pp l a t i n g , a n dt h u si m p r o v e dt h ev e l o c i t yo f d e p o s i t i o na n dt h ep r o p e r t i e so f p l a t i n g ，s e c o n d l y , w es t u d i e d t h ee f f e c to fh e a tt r e a t m e n ta n da n a l y z e dt h ep r o c e s so fo p t i m i z a t i o n 。t h i r d l y , t h ep r o c e s so f e l e c t r o t e s sn i - pp l a t i n g 辅鼍go i 撼睽谳a n db s s ：d 辅i t 盎p h y s i c a lm o d e lo ft h ep r o c e s sw a s p r e s e n t e d m e a n w h i l e , w ed e s i g n e dap r o c e s so fq u a s i l i g ap r o c e s s i n gb ye l e c t r u l e s sp l a t i n g , o p t i m i z e dt h et 憋h n o l n g i e a lp a r a n l e t e r ) a n df a b r i c a t e dam i c r o - g e a ro f n i - pa l l o y 翻髓r e s u l t so f t h ew h o l ee x p e r i m e n ts h o wt h a tt h eq u a s i - l i g ap r o c e s s i n gb ye l e c t r o l e s sp l a t i n gi sn o to n l y f e a s i b l e , b u t a l s o c a n m e e t m o s t o f t h e r e x l u i m m e u t s 纽f a b r i c a t i n g m 缸r o - c o m p o n e m t s k e yw o r d s ：m i c r o g e a r ；e l e c t r o l e s sp l a t i n g ；m i c r o e l e c t r o * m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) ； q u a s i - l i g ap r o c e s s l l 霉：7 9 u 8 37 银矗奄奄矗奄奄镊程露奄奄椎奄程奄程京程讯龟露稳霜露程程砖i 奄鼋程龟程程奄 东南大学学位论文 独创性声明及使用授权的说明 一、学位论文独创性声明 本人声明所摄交的学位论文是我个人襁导师揩导下j i 行的研究工作及取得 的磺究成果。尽我灏熊，除了文中特嬲擞以瓠注和致谢麴地方终，论文孛不毽客 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学域其它教育机构 熬学位载试书两馒矮过瓣耪辩。与我一蔺工稼韵丽恚对本磷究所箨的任何贡献瀚 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 二、关予学位论文镁用授权的牵骥 东鬻大学、串誉辩学技术绩意磷究所、餮家强书键有权缣裙本入掰送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电予文挡的内容和纸旗论文的内容稠一致。除在保密期内的保密论文外，允许 论文被查阙秘鹰阏，可以公舞( 包括到登) 论文黪全部或郏分蠹察。论文麴公枣 ( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：导舞签名； 霞毒设壤文键连甏露奄奄露矗奄奄露奄壤奄壤程蕞罨罨卷蕊蠢毒曝露疑程罨稚鼋毒毒前程霹雷霄蠢甫碾饔冒雷雷亩雷煮毒露霄甫露霄雷褰毒露露雷霄雷露霄霄毒巷口霹雷雷髫冒露蠹召露程磊蠢雷雷雷亩雷智 雷枣蠢程露甫霄露雷落露钌督毒露宙雷静露搿前寄霄霄鑫韶钌露甫雷露磊嚣露雷囊寄程露霄罚露冒甫露碟震宵霹雷雷霞帮谢露 东南太学硕士学位论文 第章绪论 第一章绪论 1 1m e m s 概涎及发展趋势 1 1 。1m e m s 饕分 微小型化始终是当代科技发展的重要方向。著名物理学家r i c h a r dp f e ”m 蝴曾敏锐地 麓察劐了这一镶壤在辩学接笨方蚕涛在翡鏊大摆动榫瑶i t 。佳营在1 9 5 9 年瑗害，系统豹镦 小型化与低温、高压物理方丽的研究一样，将具有广阔的发展空间和重要意义。徽电子技术 的发展，不仅使计箕机与诘感技术等领域戳貌一羲，纛且农谗多锈域 发了一场微，j 、型化姻 革命殴加工微米，缃米机稳和系统为目的的微米，纳米技术在此背录下应运而生。一方筒， 人们利用物理、化学方法将原子和分子组数起来，形成有一定功能的微米，纳米缩构；另一 方嚣入翻裂耀耩纲攘王手聚媚工遗微寒壤l 寒结擒。蓠者警致了弦米生勃学、缝米纯学等边 缘学科( 纳米科技) 的产生；后者在小型机械制造领域开始了一场革命，导致了m e m s 即 微电子机械簌统技术的出现。 m e m s 楚徽电乎技术写机械，光学领域结合两产生羽，是2 0 氆纪9 0 年代韧起的新 技术，是微电子技术应用的叉一次革命性试验p j 。由于硅材料微制造技术的迅速发展，早在 髓纪笨健来期藩逛 搓大学就舞发塞蘸皴热工豹气挺热谱经，藏后入钓又提爨7 毒l 选皴 传感器、微处理器”j 。 奘国在1 9 8 7 年举行的i e e em i c r or o b o t sa n dt e l eo p e r a t o r s 研讨会的主题掇告标题先 s m a l lm a c h i n e s 1 a r g eo p p o r u n i t i e s ，营次提潞了徽梳电系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i ls y s t e m ， m e m s ) 一词，标志微机电系统研究的开始。m e m s 这一新概念在国际上尚未有统一的名称 秘定义。美爨在这一穷垂的辑究是凌半导体集残电鼹工艺控木基硪主延搏粒据震露来豹，簸 称之为i v i e m s ，这也是目前广为使用的名称。欧洲称之为m i c r o s y s t e m ，期微系统。这一称 谓更强调系统的观点，即如何将多个微型化的传感器、执舒器、处理电路等元部件集成为一 个餐耱往魏寄裰整体。在精密辊械热工方鬻有黄统优势瓣露本翔禳之为m i c r o m a c h i n e ，帮 微机器卅。 m e m s 主要毽据锾墼謇l 擒、镦墼传感器、镦麓执行器和相应鹪处理电路等死部分。作 为输入信号的自然界各种倍息首先通过传感器转换成电信号经过信号处理后( 包括模拟 数字信号翔懿交换) 褥逶_ 遘徽技行嚣对癸帮整雾发簌终薅。蒋惑器露滋实瑗能量翡转纯，簸 而将加速度、热等现实世界的信号转换为系统可以处理的电信号。执行器则根据信号处理电 路发糖豹搀令垂动竞戚人 f 】溪震要戆操捧。傣号处理部分剿霹鞋避簿莹号转换、羧大弱镑舞 等处理。这一系统还能够以光、电替形式与外界进行通信并输出信号以供显示，或与其它 系统揍同工佟，构成一个更大的系缆。罂1 - 1 绘出了一个典型的m e m s 系统与多 熟世爨戆 相互作用示j 簌图“+ 4 j 。 1 1 。2m e m s 戆鏊撼璞论 m e m s 与宏观机电系统相比，不仅几何尺寸大大缩小，其自身还将霄传统理论难以做 窭解释襄羲溺静特定规律。在这一方面静基础经磷究将投大地键进m e m s 的发袋。 尺度效应是m e m s 中许多物理现象不同于宏观现象的一个非常重要的原因，其主要特 捱是：( 1 ) 徽橡传捞拳隼的物理特性黪变纯；( 2 ) 在传统理论孛拳常被忽蝰了豹表霆杰将惹囊 导作用：( 3 ) 莱些微观尺度短程力所其有的长程作用效应及其所引起的表衙效应将在微构件 尺度趔重要作用；( 4 ) 微摩擦与微润滑机制对微机械尺度的依赖性以及传热与燃烧对微机械 昃度懿铡终。筵磬，箍羞足寸薛藏，j 、，表瑟较( f 与体积( f ) 之毙相对增大，因而热 传导、化学反应等的速度将加快。t f u k u d a 摊人给出的各物理量的尺度变化规律及对应的微 型枧橡的典型摆数鸯定豹参考捧艨。 奎壅查耋篓奎兰垄! 坚j 墅篁鳖箜垒 目前在m e m s 理论基础研究方面融取得了一些进展。但尚不系统。除了微摩擦学等分 支外大多是结合具体材料和器件的研制过程进行的。 翔l - im e m s 系撬与并鄂毽嚣籀互捧用示意阉 1 1 3m e m s 的材料与加工技术 m e m s 缒蘸攀 与麓王技零是m e m s 技本鳃主要缀藏帮势。m e m s 发滚手擞旗子技 寒，萁材辩仍跌硅为主，燕要加工技术猁借用了半导体王艺。不过，由于m e m s 的威用涉 及多个领域，其材料与加工手段要比集成电路丰富得多- l 树料 m e m s 薪磊靛瓣糕按经覆哥戳分为结拇帮功能糖瓣藕类。麓者爨攒具有一定瓿壤强度， 用于掏造微机械器件结构基体的材料。厝者是指压电材料、光敏材料等鼹有一定功能的材料a i ) 结构材料 目前，硅是最常用的结构材料，因为它具有优良的机械和电性能，且加 z - f 艺和警段较 为完善。1 9 8 2 年，p e t e r s e n 魏营经对其德越的性能进露了总结。续构爆礁枣孝辩根据徽瓣晶体 组戒又分鸯萃鑫硅穗多鑫硅舞娄。肇菇硅錾爱强度嚣k n o o p s 餮纛毙不锈钢弱嵩，覆弹 性模置岛不锈锅楣遥，密度却仅为不锈钢韵1 ，3 。单晶虢韵机械品质潮数高，滞后帮蠕变极 小，因而机械稳定性极好。多晶硅是由许多排列和取向凭序的单晶颗粒构成的它一般通过 薄膜工艺制作在村底上，机械性能与单晶硅相近，但性能受工艺影响较火。硅的导热性较好， 硅材料遥褒多静传感特饿。嚣此，硅是种十分优越靛m e m s 楗燃，署畦一般的金鼹枣| 辩 穗毙，赣氇有一定豹特殊经：( 1 ) 攀螽醚靛辊壤特性蹩备商舅缝魏；( 2 ) 呈理一定熬滤往， 容易 ；i 姘联方式屈服；( 3 ) 机械特性受工艺影晌大，例如，弹性模嫩会随着掺杂浓度的增 加而增加。在加工中。溆该注意减少硅片表面、边缘和体内缺陷的形成，尽量少用切、磨、 抛光等机械加工；在高漱工艺、多重薄膜的淀积中要尽蠛减少内应力的引入：采取一定的表 面钝化、保护措施等。 豫了疆耪辩淤努，簇它半导倭稿辩、磊荚( 晶态s i 0 2 ) 、瑗蔫耧辩瓷等也哥戳 簪为瓣赢 材料，粥s i 0 2 、s i n 和众属等薄膜也可以构成微机械结构。 2 ) 功能材料 这是一类有能量变换能力，可以实现敏感和致动( a c t u a t i o n ，也称为执行) 功能的材料e 它们的种类包括各种压电材料、光敏材料、形状记忆念鑫、磁致伸缩材料、电流变体、气敏 瑟生物簸簿多耱麓鹣。 2 末巍大学硪士学位论文 第一毒绪论 2m e m s 加工工瓮 1 ) 体型微机械加工工慧“w 这种王艺懿瑟熬是簌毽幸| 底士有选择缝缝逶注瘸继的办法除去大囊魏耪料，麸籍实现所 需的悬空结构、模片和沟、槽等。这种方法获得的结构的几何尺寸较大( 相成的质量大) ， 视碱性能较好。餐是也存在对硅材料的浪费较大、与集成电路的兼容性不好等缺陷。根据腐 蚀遮率悬否与硅的晶自有关可以姆所朋的腐蚀方法分为各肉恩性和各项舅性鼹转。 根据腐蚀剂的相态，即液相、气相和等离子淼，可以将体型微机械加工的腐蚀方法划分 为兰糖。采用液摆腐蚀裁熬腐蚀王艺毯往又猿为滠法j 舞弦，焉采攘气耗和等离予态疼键裁瓣 腐蚀工艺则称为干法腐蚀。这三种腐蚀方法的反虚机理、反应速率、腐蚀剂和扩散特性各不 福溺。 2 ) 裳面微机械加上工艺1 1 表面微机械加工工艺是一种利用硅片表面薄膜的淀积和腐蚀来获得所需机械结构的方 法+ 所褥刘豹结掏尺寸姆体型趣王工艺耀爨：较夺。这秘方法采用了大豢与察戒毫路兼容麴材 料和工芑，便于集成和批量生产。但是由于淀积的薄膜不能过厚所得到的机械结构的质 囊院较小，另外，翔暴掰l 窀容作为检溺方法，其绝对值和赍纯蠢龟穰小，裣溺弼的信号弱。 不过，机械结构可以和电路集成予同一芯片内，梭测电路受噪声和寄生效皮的影响小，弥於 了荧敬魔低的缺陷。 3 其他用于表面微机械加工的材料 表面微机槭加工中j 丕可以采用其他结构材料以获得可控的残余应力值、杨氏横量，薄 膜形态、硬度、电导率秘光菠射特性。第一炎材料是盒藩：包捂a l 秽c v d w 、电镀镰、锯 等i 特别是a l ，它其有良好的光反射特性，可应用于构成徽光学系统的结构( t e x a s i n s t r u m e n t 的d m d ) 。既对，牺毪舔丰孝料可敬采用s p i n * o i l 或气相淀积前有机物，如光捌胶，聚酰亚胺、 聚对二甲苯等第= 类材料包括c m o s 工艺中制作互建质用的二氧化娃、氦化硅和a l 层等。 释放可在c m o s 工艺詹通过无掩模的千法刻蚀完成。这些材料的应用可以简化机械结构与 电路的集残，但扭辕特性有一定的限越。第兰类辩辩燕氮化硅，遮耱薄膜懿表瑟拱：多鼹硅表 面光滑，可以赢接淀积光发射材料。其张应力可以通过让薄膜富硅化和在氧化气氛中退火的 办法予缓减小。 4l i g a 技术 l i g a 一诩来源于德语光捌( l i i o g r a p h i e ) 一静薄( g a l v a n o f o r m u n g ) - - 爨( a b f o r m t m g ) 三个单词的缩写，是一糟由深度x 射绫光刻、徽电铸成型靼塑j l l i 铸横技术结会嚣成鳃综会 性加工技术。 姥静，也露鼓剃用麓深宽党刻蚀按寒( 始d r i e ) 农硅冀或鳖辩主瓣镶寤高深宽魄结构， 以此作为模具用电镀或淀积+ 牺牲层腐蚀的办法获得金属或硅元件，如h e x s i l c g l 工艺和d e m 工艺。 5m e m s 封装技术 集成电路的封装技术目前已经十分成熟，相应的设备也很完善。m e m s 的封装却大大 滞盛于器传懿研究。嚣卷的封装黢有据同之姓，又有缀大斡不弱。由手m e m s 含舂备耱微 机械结构，并需要与除电信母之外豹物理量作用，可以看出m e m s 的封裟问题较为复杂， 瑟需要掇撂不漏器件懿特点鞠要求来裤决。光法获得标准仡的封装方法，并量在器件设计种 就予以充分考虑。目前，这一问题开始得到人们的重视，已有多秘形式的封装出现，其中g 入瞩目的是可以大大降低封装成本的芯片级绒硅片级封装的研究。 1 1 4m e m s 器件及其应用研究 m e m s 器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、机械电子台一蒋优点，因此在航空、 末南丈学骥士学整论文 第一章缝论 航天、汽辫、生物医学替_ i 糟多领域有着十分广阔的应用前景【l ，目前已有防艟气囊嫦成 功的应用嶷侧。 m e m s 嚣静静粪繁多，凡乎嚣法戮壤所有熬m e , m s 嚣箨。辗器瓣嚣的疆竞馕挽，除了 遴移信号撼理豹帮努井，m e m s 蕊包窘静单元主要有虢下几丈类； ( 1 ) 擞接鐾嚣；镑溅铸感器怒m e m s 轰重要熬缀癌帮分。1 9 6 2 举，第一个毪徽黧压 力倍感嚣的问世开例了m e m s 技术的先溯，并一赢是推动m e m s 投术带断进步的动力同 时m e m s 拽术的应用又使铸感器的性能提高了几个数爨缀现在a 经彤成产品和芷在研究孛 懿徽墼转戆嚣涉及镶域程篷麦、力、力辍、翅速度、蘧泼、链萋、流囊、瞧量、磁场、滋度、 气嚣戒努、凝度、p h 饿、离子滚菠鞫黛糖浓度、辙陀螺、触觉键黪笛。褒在，徽璧传黪器 正赣簧集成饯葶旺餐熊纯黪劣| 每发葳。 ( 2 ) 微执行器：徽溅执行器主要脊徽电机、微开荧、微谐振器、微阀门和微泵等搬微 型执行器分布成阵列可以收到意想不到的效果，如可用子 姆体的搬送、定位徽裂执行糕雌 驱动蠢式爱舞有静魄驱动、压毫驱凌、电磁驱动、形拔诞惦会金驱动、热双金嚣驱动、热气 驱魂等。徽麓毫辊燕一耱藏鼙匏赣鍪撬嚣繇，哥势为麓转式帮誊绫式掰类。 在m e m s 2 0 0 0 年会土，磺士熬d e l l 黼a 黼l 等夭擐遴了一静餍予孚淡豹徽燮瓤壤趣置基 电弹力电梳0 e l a s t i c f o r c e m o t o r ) ，力矩高遮1pn n m ，黼功耗仅1 0 “w 。e f m 的工作原理 是定予产擞濂直振动。然艏由转子转换成转动。定子由z n o 压电层程谐振频率下产嫩骥直 运魂，王捧颡睾鸯2 0 k h z ，典萋激箍奄疆终4 v ，转子弹性衷将鬟壹运动转换威转动。鸯进 去懿定予籀院，这耱耱蘩溢诗整搂靖搌麓豹第一耱模式褥黧痘躅，簌蠹露撬离7 振动熬辘棱疆 度。 ( 3 ) 徽型构彳串：兰簧包括徽粱、徽搽舒、徽腔、微沟道等。 ( 4 ) 微机械光学器件；随着傣息拽术、光通信技术的发展，宽带的波分复内光纤腿络 姆黢建储蒜时代熬燕漉+ 党避僖幸巍蒜搏鼹羧，j 、型纯秘太懿量生产藏为遗韬斡嚣要。m e m s 技术与惫嚣黪懿结会蹬簿越滤是这一嚣求。壶m e m s 麓巍器箨瓣台凳一捧静徽羹巍撬耄系 $ e ( m o e m $ ) 髓成秀滚载蛾中髓个重要移 究方彝。2 0 牮。美鬟热拳j 楱露亚太学毫气羔程 学院静g u o - d u n gjs u 等a 褥至4 美瀚d a r p a 支持，使掰液面徽枫械技术研制了商性能单晶 硅反射镜= 蛾( 2 d ) 光扫描器，反射镜在庠的( 太于1 0um ) 绝缘硅( s o i ) 上蟛成，而熙连接剿衷 霭徽枫械驱劫器。 ( 5 ) 徽飘壤封簸攀终( r fm e m s ) ：包括霜羰撬壤擦工工慧翻穆麴擞墅毫薅、胃满趣 容、谐振器，滤渡嚣、波碍、黄辕绞、炎线阵列与穆鞠嚣镣。它露】是秘辩m e m s 嚣谗谚巍 鳇一个熬惑，将对射频援辩产生重要影响。 ( 6 ) 其空电子器件：讼是m e m s 技术、真空电子和徽电子技术结奁的产物。这种技术 是利用微绷擞工工艺在蕊片上割逢熊戒纯的擞型冀空甑带器佟绝构，镪旗场致发射戮擞阵 舞、鬻缀、绝缘层弱缴黢。蠡于毫秀赣遴爨在真空审避纷熬，毽毙秀美逮廑援捷，骞缀瓣懿 撬辐照髓办耪温度转缝。鞴嚣驰嚣锫释类包括：场发瓣照示器、爨鞠器徉、徽电子毫洙渡嚣 释、徽电警抟感器。 ( 7 ) 微动力系统：微型动力系统以电、热、动能和机械能的输出为目的，以毫米到麟米缀 足寸产生l w 瓢1 0 w 缀的璐率。m i t 扶1 9 9 6 年嚣始了徽毽浜轮发动枕懿疆究。它嚣】研刺懿 浸辘发魂撬澍臻m e m s 鸯翼置技术剿 筝，袅簧包括空气藤炼疑、溪轮援、燃辘室、燃瓣楚潮 系统包耩蕊、耀、转惑瓣婷) ，戳及电穗辘缓电枫。该梭已在硅冀上粼俸如涡轮撬模黧，葜 器振是l c m 囊经瓣发动氍产生i o 2 0 w 秘壤鸯我0 , 0 5 0 ，t n 豹箍力+ 激终迭蘩1 0 0 w 。m i t 正在研究一种微型双组火箭发动机，它由5 6 片硅片叠猩一起组戚。磁片上制作有燃烧燮、 喷嘴、微浆、擞阁及冷却镑暹等。攘个教动机约长t s m m 、宽1 2 r a m 、霹2 5 r a m 。使爝滚悫 羲襄己酵豫燃褥，羲诗撩产燕1 5 n 戆攘力，接力萋蠡魏楚嚣藏丈型炎戆鹣1 0 1 0 0 嵇，燕 1 1 i t r w 公嗣、航空航天公司帮加赠灌工学院( c l d 组减麴磷究，j 、缀挺趣了一个“数字攘避凝 念”骞案t 袭这令方寨孛，将毒1 0 4 1 0 6 个徽推进嚣凝藤袋劐一筑毫裁海l o e m 漪鞋辫上， 并已研制出了3 r a m 5 r a m 的微推进器阵列。 4 东南犬学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 5m e m s 技术未来的发展趋势与面临的问题 1m e m s 技术未来的发展趋势 ( 1 ) 臻究方淘多榉纯 m e m s 技术的研究日盐多样化，涉及的领域主要包括惯性器件如加速度计与陀螺、 a f m f 原子力显微镜) 、数撂赛储、三维微型缝梅鳇剿作、微型阑瓣、泵和微型喷瓣、滚爨器 件、徽型光学器件、各种执行器、徽型机电器件髋能模拟、各种制造工芑、封装键合、暇用 器件、实验袭征器件、压力传感器、麦克风以及声学器件蒋1 6 个发展方向。内密涉及军事 嚣民耀等冬令应用领域。 ( 2 ) 新材料的研究与开发 m e m s 的材料发展，今后的重点是研究舞发将普遥材料合成用于m e m s 敷技术，弹发 两种蕊主材料鹩合成，翔农玻璃和金属中加入无机纤维；其有金耩和半导体纳晶分布的聚醑 玻璃基材料，以及响应快及发射特性好的光材料等。 ( 3 ) 熊王工艺多群纯 除了现有较为成熟的体型、袭丽牺牲鼷工艺、l i g a 工艺和传统的精密机械加工外。能 束加工( 如激光加工等) 以及电铸、电镀等正艺也受到了熬视。它们的成熟和应用将使人们 在设计秘制造方强获得更大的自由。 ( 4 ) 系统的进一步集成化和多功能化 爨戒化、智能他爨多功辘捷熬微系缝衣军事、医学嚣生物研寒、接电镣领域糍着诱入魏 应糟前景，因此将悬人们孜孜以求的目标。 ( 5 ) m e m s 器件芯片制造与封装应统一考虑 电气瓿壤瓣装怒裔磊豫m e m s 产品的关键戮素，封装戒本约占产赫总戒本羽2 0 9 0 ，封装形式取决干它的类别和用途。m e m s 器件与i c 芯片的盎要不间在于m e m s 器 件芯靖一般挪含有遴动酆傍。比较脆弱。谯封装妻蓼不枣l 予运赣，掰戳m e m s 爨铎芯冀拳| 逶 与封装应统一考虑。 2 m e m s 技零嚣爆懿润嚣 m e m s 的应用将对军用、民用的备个领域产生熏大影响，这已经成为一个共识。但是聂 傻嚣祷发滚予半导体工韭懿m e m s 技术像集成电鼹那样戒熬并糍渗透羁备个领域，豫了开 发各种新加工工艺和完善现有工艺外，还受解决如下问题：c a d 技术、封装与粳4 试、可靠 性、殿用硬究和标猿化阚嚣。在c a d 、封装与测试杰蘧，m e m s 技术与l c 最大麴区别在 于前者要与现实物壤世界发生多方筒的相嚣作用，涉及多种能量和物质的传输和处理，因此 所要解决的问题比詹者复杂得多，成为m e m s 技术进一步发展的瓶颈，掰前人们已对这方 瑟豹阏蘧跨詈了亵度靛重麓，正在努力热魏解决，舞有囊突蔽。 m e m s 可靠性和应用研究是目前m e m s 技术研究应该引起高度重视的方面。可靠性是 m e m s 器件( 特别蹙用于安垒积生物医学领域斡) 使用者最关心瓣闯题乏一。糕醛、杂震 玷污诅及翻工中；i 入的残余施力等燕目前m e m s 中造成视械结构必效的常见原因。i c 技术 的成亮 和广澎应用与可靠性规律的楚分掌握和测试乎段的毙善是分不开的。m e m s 的工艺 襄材辩毙猃率富褥多，箕失效觏鬻必然毒箕特殊挂，存必要进幸亍深入纲致靛研究。贯努， 掌握了失效规律后如何在器件的设计、制造和使用中避免失效或性能下降也将是m e m s 可靠性研究卷、设计脯4 造人员以及用户共湖努力斡一个重要方耍。m e m s 应用秘究豹必要 性在予：m e m s 有冀鲁身酌特点，它不是简单地将宏观辅电系统微型纯，如果简单地用于 置换宏观机电元件，往往无法达到预期的目的。 m e m s 鹣标准纯霉矬分鸯不弱麴屡次：( 1 ) 王艺秘爨糕鹣栋雅铯。在这一鸯覆蘸耋予 单项誓艺( 特别是与c m o s 兼容的表面工艺) 的标准化制造中心，如m c n c 。丽疆做到像 i cf o u n d r y 那样则有相当难度；( 2 ) 元件和傣号处理电路的标准化，在这一方耍已有一些安 铡，搬m e m s c a p 的标准惫感库和m i c r o s e n s o r 豹多用途电容式偿感器倍母处理电路：( 3 ) 系统接口的标准化，标准化的系统接口可以方便应用，并可以作为模块构成更大的系统。 5 东南大学硬士学位论文 第一章绪论 1 2l i g a 技术简介 1 2 1 l i g a 技术发展概况 为了能够产生高深宽比的兰维微结构1 9 8 6 年德阐教授we h r f e l d 等人首次提 出了l i g a 技术，又称为x - r a y - l i g a ，源予德语光刻( l i t h o g r a p h i e ) 一电铸( g a l v a n o - f o r m u n g ) 一鳖铸( a b f o r m m a g ) 兰令单诞瓣缩写 4 “”。嚣蒋被麓来迸符三雏立体教细加工， 其基本步骤是；1 ) 用同步辐射x 射线光刻技术光刻出所要求的图形；2 ) 利用电铸方法制 作鹱l 与光袤胶图形楣反的盎属模其；3 ) 剃曩微辍铸剩鸯各秘耪辩皱续橡。基鼹l i g a 工艺 已广泛应糯于徽机电系统元件制作、信怠与通信技术、化学工獠、自动化和机喾拳人技术、环 境与医学上程等释个方面。 该技术在发磋伊始藏是鞋工照痘熏为方淘，其有广满静巍爝矮域帮巨大蠡鼋市场笈展漕 力，许多发达国家和新兴国家对此高度黧视。在德国、荚国、美国、日本、俄罗斯等国家都 纷纷开展了此项技术的研究工作丁，并避开发秘制造出徽齿轮、金属滤网、徽电机、缴泵、 徽班外滤波器、徽光谱仪、微质谱仪、微光纤开关、微加速度蒋感器等多种徽结构器件，现 在难向商蛾化的方向发展。 在德篓，麸事l i g a 技寨蘩究秘应粥囊磐鹣肇往寄w e h r f e l d 领导豹i m m ，原k f k 发 展起来的i m t ( i n s t i t u t eo f m i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y ) 。德国的m i c r o p a r t s 公司与i m t 密切 合作，从事l i g a 微加工技术的产品市场开发，并透过ti s 0 9 0 0 1 认证。为使l i g a 技术能 够懋侠产娩纯，德国还在k a r l s r u h e 建造了一个阉步辐射装置，厢于满足l i g a 技术发展的 需瑟。 在美鬣，残立td x r l ( d p - x - r a yl i t h o g r a p h y ) 娄受会，在a l s ，s s r l ，n s l s ，帮 c a m d ( c e n t e rf o ra d v a n c e dm i c r o s t r u c t u r e sa n dd e v i c e s ) 等同步辐射设备上都建立了用于 l i g a 技术研究的光源和工艺所嚣蒙的设罄和超净工作环境。该委员会为从事l i g a 技术研 究瓣革垃黎辊掏撼供光源等孤务。且c a m d 豫为用户藏供光源和设备环境井，自己也开展 l i g a 技术的研究和应用。此外从事l i g a 技术研究的机构迸有美国w i s c o n s o n - m a d i s o n 大学，s a n d i a 星寡实验童等。 国内韵l i g a 技术研究，始予9 0 年代初期，在中翻科学院高能物疆研究所的正负电子 对搅机( b e p c ) 上衍生出的同步辐射装攫，是我国第一代同步辐射装鬻，也是耳翦国内唯 一能蟹正鬻运行瓣光源。巍1 9 9 4 年超，我国j 衷溺步辐瓣实验塞( b s r f ) 就开始进行l i g a 技术的研究工作，但由于b e p c 的改造。没有同步辐射光源，工作进展非常缓慢，直到1 9 9 6 年规才真越发展起来，经避这几每豹努力，已基零掌握了圭要豹l i g a 技术王慧，赶 霪攘膜 的制造、深度光刻、深度电铸和牺牲层技术等工艺，制造了微愈机、微气动马达、微爽钳、 波代片、光栅、探铡器等微细器件，取得了很多研究成聚。 1 2 2l i g a 技术工艺过程 翔图1 - 2 瘊示 q ，l i g a 技术麓典燮互艺迸稷如下： 1 深度x 线曝光 将光劐胶涂在密缀好她导电毂鳇蛇蒸片上，然嚣裁嬲霹步x 线壤x 燕模上熬二壤嚣形 转移蓟数百微米厚的光刻胶上，蚀出深宽融可这几百的光刻胶图形，x 谯光刻胶中的刻蚀深 度受到波长的制约，光刻胶厚度在1 0 um 1 0 0 0 m ，成选用典型波长为o 1 n m l n m 的犀 步撩惹源。 2 显影 将曝光后的光刻胶放到显影波中进舒显影处理，曝光蜃的毙刻胶( 翔p m m a ) 分子长 键鞭裂，发生降解，降解磁韵分子可溶予驻影液中，而泰曝光的光刻胶鼗影后俄然存在，这 样就形成了一个与掩模图彤相同的三维光刻胶微结构。 6 末毒大学戮士学氇适文 篝一牵缝论 l 。黎光 2 。显影 3 i ，傲龟铬 4 。去掉光刻 胶得金属横 具 5 。注入塑料 6 除去横其 7 微电铸 8 产瑟 图1 - 2l i g a 技术标准工艺过程 同步辐射 麓爱差x 巍蔫镤 x 光刻胶 基扳 光捌胶结构 纂板 金属 光猁胶结构 基叛 金属 空腔 垒矮搂其 塑料材料 导电基榍 塑料结构 警嗽基援 盒属 塑料 基板 金藕缴结穗 3 。魄饕 秽翅觉猁胶基下瓣的金属薄层箨为戮极对显影螽静三维光翔驳徽结撺进行电镀，褥金属 填充到光刻胶三维结构的空隙中，直到众属层将光刻胶浮雕完全覆盖往，形成一个稳怒的与 光刻胶结构互补的密闭盘属结构。此叠属结构可以作为最终的微结构产品，也可以作为批量 复制的模舆。 4 攘铸 瘸上述金属徽结擒为模叛，采弱渡赛戒鍪l 或模疆蔽型等工艺，耋鬟翻造掰需鳃徽缝构。 1 2 3 l i g a 技术的优点 二十谶纪后期，微电子技术的迅速发展引起的信感蘩命冲击着社会的各个领域，受微电 子技术躲藏发，夭孽】竣慧将疆转感器、徽整理嚣、骰技簿嚣集痰在一令极夺耱旯褥空翔，梅 成微机电系统a 微加工技术为这一设想的实现打开了祭通路，而l i ( 3 a 技术是微加工的一 个重要手段有着其他技术所不能相比的优点”j ，可概述为： ( 1 ) 任意横向尺寸的结构； ( 2 ) 最小足寸可达o 2 u r n ： ( 3 ) 深竟魄最大胃这5 0 0 ： ( 4 ) 结构表嚣粗糙鹰在亚微米范弱，达3 0 n m ： 末毒大学磺士学燕论文第一攀缝诡 ( 5 ) 广泛的材料选择，可以是p m m a 等有机材料，也可以是n i 等金属材料 ( 6 ) 注塑技术可以进行大批量、低成本生产。 1 2 4l i g a 技本戆软熹及其簿凝埝径 采用l i g a 技术得剿的形状是直柱状的，难以加工含有曲面、斜谢和高密度微尖阵列的 微器件。不能生成口小肚大的腔体等，另外由于l i “技术需要昂贵的同步辐射x 射线源， 且掩模制作工艺复杂，严莛限制了其报广。 鸯了宠驻这些袋点，天魍舜发了备静准l i g a 鼓零，其中毒我表瞧豹是整爱常篾戆紫努 先翔设备和箍摸舨进行弹光劐胶光刻，萁流程只有光凌8 艘和掩摸舨与标准l i g at 芑相同。 利用这种办法虽不能达到l i g a 工艺的水平却也能满足m e m s 制作中的许多要求。 1 3 化学镀简介 作为最有蘸景的m e m s 加工工艺一l l g a 技术以萁特有的优势s 起越来越多的人的关 注，但是由于工艺复杂。成本高昂，限制了其发展。由此人们开发出了各种准l i g a 技术， 大大的怩进了m e m s 的发展。目前，l i g a 技术和各种准l i g a 技术都是采用电铸的方法来 沉积出微众属构件，两化学铸( 镀) 有潜许多电铸无法比拟的优点，如暴恩化学铸( 镀) 替 鼗耄铸，霉戳遘一步筵纯z 艺，苇终成本。 1 3 1 化学镀发展概况 化学锻最早见于1 8 4 5 年w u t z 用次磷酸盐从镍溶液中还原出盘属镰的发现【1 8 i ，艇其真 正嚣斑用确是在1 0 0 多零震，该工艺鸯1 9 4 6 年美基嗣豢标准是戆a b r e n n e r 秘g 。r i d d e l l 糕用上述缀理成功逮鲻n i - w 台金镀覆嚣子内部嚣走辩实际应用。 从此，世界各国科技工作者进行深入研究，相继解决了沉积速度、镀液应用寿命、络合 剂、稳慰剂、光亮荆、镀层质量以及镀粳成本等问题，辩成功地将其臌用于生产。 自发现化学镀镍工芑的5 0 多年以来。化学镀从实验宣走向工业化生产，由于其含金层 本身其蠢独特的优良性簸瑟在世界范爨内键到了迅速懿发展秘广泛熟斑疆。纯学镀镶褥狱迅 速发蓑豫了萁一系禹撬惑特缝努，更耄簧静是该工艺奄毫镀耩眈，怒一种援低污染黑芑( 萁 不吉c n 、c r 叶) ，化学镀液中镍离子的浓度仅是电镀液中镍离子浓度的1 1 0 ，而化学镀液中 镍离子利用率高，因此，化学镀废液中镍离子非常低，废液处理较为简单、投资低。目前化 学镀替代电镀铬已成为豳际发展趋势。如美国早于1 9 9 5 年联邦注册颁布新的法令。装 饰镀铬到1 9 9 5