微安全机构引信的制备-XXX译.doc

The Fabrication of MEMS Fuze Safety Device 微安全机构引信的制备Jia shengfang1,a Du Liqun1,b Nie Weirong2 Li Qilei2 （1 微机械中心，大连技术学院，大连，辽宁，中国；1,2 机械电子学院，南京科技大学，南京，江苏，中国；a ; b ）8摘要：本文介绍了一种微安全机构引信的新微加工方法，该方法包含了厚的SU-8光刻紫外光刻过程，微电铸过程，无支撑板生长过程和SU-8牺牲层工序。与其他微机械加工方法不同，具有垂直侧壁的微安全机构引信采取了在镍基体上直接电铸镀镍的方法。在本文中，介绍了在金属基体上直接制备两种双层置换设计的情况。另外，对制备中出现的问题进行了讨论。关键词：微安全机构引信，紫外LIGA技术，双层置换设计，微电铸Abstract: This paper presents a new microfabrication method of MEMS fuze safety device, which is combined with SU-8 thick photoresist UV lithography process, micro-electroforming process, no back plate growing process and the process of SU-8 as sacrifice layer. Different from other microfabrication methods, the MEMS fuze safety device with vertical sidewalls was fabricated by micro nickel electroforming directly on Nickel substrate. In this paper, two kinds of double-layer large-displacement devices had been fabricated on metal substrates directly. Besides, some problems in the fabrication process had been discussed. Keywords: MEMS Fuze safety device, UV-LIGA technology, double-layer large-displacement device, micro-electroforming 1 引言随着MEMS技术的发展和应用，微安全机构引信作为一种新颖的方案得到了快速发展和越来越多的关注。为了得到高性能的引信，控制其体积大小显得非常重要。而微安全机构引信能很好的满足这点，它比传统引信小得多，能够为其他探测设备提供空间，从而引信的安全度和破坏力得到了大幅度提升。另外，微安全机构引信展示出了一系列引人注意的优点，低成本，重量轻，高强度和高可靠性。引信中可动部件一般在很恶劣的环境下工作，有的需要承受几千g的加速度。目前有几种可加工微安全机构引信微结构的技术，例如深度反应离子刻蚀，LIGA技术，喷射模铸法，热压制，紫外LIGA，粉末金属烧结，粉末金属微结构拉模铸造。在这些技术中，紫外LIGA技术非常重要，其权重占到了7.2。紫外LIGA技术不仅继承了LIGA的优点，更得益于使用紫外光源替代了X射线发生器带来的低成本经济效应。通过控制参数，可以得到具有高品质、低成本的垂直侧壁结构样品。在本文中，结合了紫外LIGA技术和无支撑板生长方法，使用在金属基体上电铸镍的工艺方案制备了微安全机构引信。2 制备过程如图1所示，制备过程由以下过程组成：2.1 基体处理用镍基体制造成可用的结构。首先，把基体磨光处理，然后把镍基体放入丙酮溶液中，并用超声波清洗机进行15分钟清洗，去除掉表面的油和杂质，之后再放入乙醇溶液中，超声波清洗15分钟。2.2 SU-8 涂敷 在基体上旋转涂覆约70m厚的SU-8光刻胶；在电烘干箱（WG-20）中65环境下慢慢烘干基体1小时，然后温度逐渐上升到75，保持1小时；随后温度上升到85并保持烘干1.5小时。2.3 光刻上述70m厚的SU-8光刻胶需要照射剂量约为300mJ/cm2光；85环境中快速的曝光约3分钟。理想模型在室温下需要进行46分钟的显影。2.4 电铸电铸环境和电解液成分如下：Ni(NH2SO3)24H2O 550g / L; NiCl2 10g / L; H3BO3 35g / L; 添加剂0.1 0.15g / L; 温度： 50 ；PH值约4.0；电流密度为1A/dm2 ，并进行搅拌。需要花费8小时得到第一层电铸结构。2.5 溅射Cu把第一层结构磨光，清洗，烘干；使用JS3X-808溅射系统在第一层结构上溅射240nm厚的Cu膜（电铸传导层），功率为300W，时间约6分钟。 图1 微安全机构引信的详细制备过程2.6 选族涂覆 SU-8 如下在基体上涂覆300m厚的SU-8：基体旋转速率为540r/min,时间9s；然后上升到1200r/min，保持30s；在烤箱中65下慢慢烘干1小时，然后75烘干2小时，85烘干2小时；等基体自然冷却后，按照上面的步骤涂覆、烘干自制到达需要的厚度。2.7 光刻把涂上光刻胶的薄片在能量密度为400mJ/cm2紫外光下照射12分钟，然后85烘干6分钟，再把曝光的薄片室温下浸泡在SU-8显影液中35 40 分钟，期间进行均匀搅拌。2.8 电铸 电铸条件与上个过程一样，但是需要持续40小时。2.9 去除防腐层最后一步是去除作为牺牲层的SU-8，释放结构。微安全机构引信的SEM图像如图2所示。 图 2 微安全机构引信的SEM图像3 讨论3.1 Su-8与基体的粘接基体与防腐层之间的粘接强度需要足够大，以防止在电铸过程中的脱落。在微结构制造的紫外LIGA技术中粘接强度扮演者重要的角色，关乎成功和失败。我们采用了中间过渡层，以保证两者粘接可靠。3.2 SU-8层不平整经常会遇到SU-8层不平整合厚度不均匀的情况，这样会引起防腐层与基体之间的空气间隙；可采用多次涂敷的方法进行改进，涂覆前的准备工作也非常必要。（1） 基体处理 平整的、干净的基体非常重要，会避免气泡的产生。本文中，基体第一步就进行了打磨和超声清洗。（2） SU-8处理 在涂敷前，可以采用超声清洗10min释放气泡或者50的SU-8液体中水浴2小时。通过控制缓慢烘干过程中温度，Su-8溶剂可以被慢慢释放来减少气泡的产生。3.3 金属层与基体之间的粘接强度 采用无支撑生长法可以避免光刻层膨胀、结构变形、过余应力等问题；为了增强粘接强度，可以采用等离子处理方法来去除残渣和污点，酸洗可以去除镍上的氧化物。 等离子处理的时间不能太长，这点需要关注；可以采用DQ-500等离子脱胶机来进行，氧气压力约140Pa，等离子功率45W，时间20min。酸洗可以采用5 15% 浓度的无机酸，浸泡时间45秒确保其效果。3.4 电铸层瑕疵问题紫外LIGA技术中电铸是一个主要的生产过程。应保持电解液的纯净，其中的灰尘、阳极产生物、电解质杂质等需要过滤掉。另电铸过程中进行搅拌也会减少瑕疵的产生。3.5 去除SU-8问题作为牺牲层，SU-8在最后的制备过程中需要被去除。为避免去除过程中损坏微结构，并考虑到镍金属可忍受强酸，可以采用在强酸中煮整个结构来去除SU-8。4 结论 镍制的引信展现了其优点缘于其材料的的延展性和密度特性。本文中，介绍了一种基于紫外LIGA技术、牺牲层技术、无支撑生长技术的低成本制备方法，直接在镍基体上使用双层镍置换技术进行制备。可动弹性部件的长宽比达到了6:1，完全满足了所设计的力与尺寸要求。另外，还对制造过程中的气泡问题、粘接强度问题、防腐层的去除问题进行了分析和讨论。参考文献(References)1 Feng Pengzhou; Zhu Jinan; Wu Zhiliang. Analysis of The United States Typical MEMS Fuze Safety Mechanism. J. Journal of detection & control. 2007, 29 (5) , 26-33. 2 Wang Wei; Hao Yongping; Zhang Dezhi; Yang Fang. Comprehensive Analysis of The MEMS Fuze Safety Mechanism. J. Journal of detection & control. 2006, 28 (6), 55-58. 3 Robinson C H; Hoang T Q; Gelak M R; et al. Materials, Fabrication, And Assembly Technologies For Advanced MEMS-Based Safety And Arming Mechanism For Projectile Munitions. J. J.F.Rasmussen Axsun Technologies, Inc, 2006. 4 Du Liqun; et al. Research of The Size Precision of SU-8 Ultraviolet Lithography. J. Optics and Precision Engineering, 2007, Vol.15, No.4, 447-452. 5 Y. J. Chuang; F. G. Tseng; W. K. Lin. Reduction of diffraction effect of UV exposure on SU-8 negative thick photoresit by air gap elimination. J. Microsystem Technologies. 2002, 8, 308-313. 6 H. Lehr and W. Ehrfeld. Advanced microstructure produces by synchrotron radiation lithography. J. Journal de physique IV. 1994, 4, 229-