專利名稱：高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)電鑄方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)電鑄方法，屬于微細(xì)加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是二十世紀(jì)最重要的科學(xué)技術(shù)進(jìn)展之一，也是當(dāng)今科學(xué)研究的熱點。微細(xì)制造技術(shù)是微機(jī)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心。具有高深寬比(或稱高寬比)的微細(xì)結(jié)構(gòu)(High-Aspect-Ratio Microstructures，HARMS)廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)中，如噴墨打印頭噴嘴、慣性測量部件、磁性微系統(tǒng)等。
LIGA是制造高深寬比金屬微結(jié)構(gòu)最常用的方法。LIGA技術(shù)通過X射線曝光涂覆在基底上的光敏材料形成電鑄模具，爾后用電鑄進(jìn)行填充以獲得金屬微結(jié)構(gòu)。光敏材料形成的活動膜板與基底表面(即陰極表面)通過鍵合粘結(jié)在一起，在電鑄過程中不能移動。LIGA技術(shù)中高深寬比微結(jié)構(gòu)的電鑄由于受傳質(zhì)的影響而變得非常困難，易出現(xiàn)厚度不均、組織疏松、針孔、表面粗糙等缺陷。而且LIGA技術(shù)要使用價格極其昂貴和稀缺的同步輻射光源，成本高，加工周期長；還存在去膠難的問題。
發(fā)明名稱為三維微細(xì)結(jié)構(gòu)電鑄方法和裝置，申請?zhí)枮?00610039406.6，
公開日為2006.09.06的發(fā)明專利申請，公開了一種，利用陰極相對屏蔽陽極膜板移動來制造三維金屬微結(jié)構(gòu)的方法，是現(xiàn)有金屬微結(jié)構(gòu)加工方法的有力補(bǔ)充。但是該技術(shù)也有一些不足之處，如電沉積過程發(fā)生在微小的封閉空腔中，傳質(zhì)困難，導(dǎo)致效率低；電沉積時陰陽間距離小，沉積過程易受鑄件表面質(zhì)量的影響，如表面毛刺就可引起短路，給整個過程帶來困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種短周期、高效率、能制造出高質(zhì)量、任意深寬比且成本低廉的高深寬比金屬微結(jié)構(gòu)電鑄成形方法。
一種高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)電鑄方法，其特征在于包括以下步驟(1)、根據(jù)零件的形狀和尺寸設(shè)計制作屏蔽電場用的具有特定鏤空圖案的活動膜板；(2)、在電鑄加工過程中，活動膜板置于陰陽極之間，使活動膜板與陰極根據(jù)沉積物的高度作相對間斷移動，即(a)、電鑄開始時，將活動膜板與陰極貼合，用電源供電，電沉積發(fā)生，此時稱為第一次電沉積；(b)、電鑄一定時間后，斷開電源，活動膜板在電鑄結(jié)構(gòu)的高度生長方向移動一定距離，使其距陰極為δi，δi為第i次電沉積時活動膜板與陰極表面距離，其中i＝1，2，3，…，k，…，k為自然數(shù)；(c)、再用電源供電電沉積發(fā)生，稱第i次電沉積其中i＝2，3，…，k，…，k為自然數(shù)；且活動膜板與陰極作相對間斷移動時，受以下關(guān)系的約束i＝1H＝0，δ1＝0，h1＜＝t；
i＝kH＝h1+h2+…+hk-1，δk-1＜δk＜＝H，hk＜＝δk+t-H，i＝2，3，…，k，…，k為自然數(shù)；其中t為活動膜板厚度，hi為第i次電沉積時沉積的金屬層厚度，H為第i次電沉積前已鑄微結(jié)構(gòu)的高度；(d)、重復(fù)上述(b)和(c)步驟，直到達(dá)到微結(jié)構(gòu)的高度要求。
本發(fā)明的有益效果是1、活動膜板可多次重復(fù)使用，降低了成本，提高了效率，利于工業(yè)化生產(chǎn)。
2、將整個高深寬比的微結(jié)構(gòu)分割成多段加以電鑄，使微細(xì)電鑄傳質(zhì)條件大為改善，可以減少電鑄缺陷，提高電鑄質(zhì)量和電鑄速度。
3、陰陽極間距離宏觀可調(diào)，使電場更加均勻，電鑄結(jié)構(gòu)高度一致性好，表面質(zhì)量更佳。
通過在微細(xì)電鑄過程中活動膜板隨金屬沉積層的增加做相應(yīng)的微量移動，從而用有限厚度的屏蔽層制造出深寬比不受限制(原理上)的金屬微結(jié)構(gòu)。


圖1是光刻法制造活動膜板示意圖，其中圖(a)為甩膠，圖(b)為曝光及顯影后得到的微圖形結(jié)構(gòu)，圖(c)為刻蝕后得到的活動模板。
圖2高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)電鑄技術(shù)工藝路線示意圖，其中圖(a)為貼合示意圖，圖(b)為電鑄，圖(c)為活動膜板移動示意圖，圖
(d)為電鑄，圖(e)為微結(jié)構(gòu)成品。
圖1中標(biāo)號名稱1、光敏材料，2、金屬襯底，3、活動膜板。
圖2中標(biāo)號名稱3、活動膜板，4、陰極，5、陽極，δ、電鑄微結(jié)構(gòu)；H第i次電沉積前已鑄微結(jié)構(gòu)的高度；δi第i次電沉積時活動膜板與陰極表面距離。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，說明的“高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)電鑄方法”的工作原理及具體加工過程活動膜板，可選用以下四種方案之一制作(1)、利用光刻工藝制造活動膜板的過程如圖1所示。在金屬襯底(2)上涂覆光敏材料(1)如圖1(a)，經(jīng)過光刻，形成了圖1(b)所示的圖形，接著對襯底進(jìn)行刻蝕，可以采用電化學(xué)刻蝕，也可以采用化學(xué)刻蝕，將襯底全部腐蝕掉，留下的具有特定鏤空圖案的光敏材料層就是活動膜板，如圖1(c)所示。
(2)、利用體硅或DRIE工藝在硅片上刻蝕出所需圖案，形成活動膜板。
(3)、利用機(jī)械加工(如微鉆削加工、微銑削加工)，在絕緣薄片上(如有機(jī)玻璃、環(huán)氧樹脂、塑料等)加工出所需圖案，形成活動膜板。
(4)、利用激光微細(xì)加工技術(shù)在絕緣薄片上(如有機(jī)玻璃、環(huán)氧樹脂、塑料等)加工出所需圖案，形成活動膜板。
如圖2(a)所示，電鑄開始時，將活動膜板3與陰極4貼合；
如圖2(b)所示，接通電源陰陽極間的電源，電沉積發(fā)生，此時稱為第一次電沉積；如圖2(c)所示，電鑄一定時間后，斷開電源，活動膜板在電鑄結(jié)構(gòu)的高度生長方向移動一定距離，使其距陰極為δi(i＝1，2，3，…，k，…，k為自然數(shù))；如圖2(d)所示，再用電源供電電沉積發(fā)生，稱第i次電沉積(i＝2，3，…，k，…，k為自然數(shù))；設(shè)活動膜板厚度為t；第i次電沉積時活動膜板與陰極表面距離為δi；第i次電沉積時沉積的金屬層厚度為hi，hi可由法拉第定律計算出來，也可通過在線測量確定；第i次電沉積前已鑄微結(jié)構(gòu)的高度為H。則t，δi，hi，H滿足以下關(guān)系i＝1H＝0，δ1＝0，h1＜＝t；i＝kH＝h1+h2+…+hk-1，δk-1＜δk＜＝H，hk＜＝δk+t-H，(i＝2，3，…，k，…，k為自然數(shù))；重復(fù)圖2(c)(d)步驟，根據(jù)電鑄產(chǎn)物6的高度H的增加，不斷增大活動膜板與陰極的間隙δ，經(jīng)過一定時間達(dá)到微結(jié)構(gòu)的高度要求，將活動膜板3與陰極4分離，就可得到即可得到所需要的滿足性能要求的電鑄微金屬零件6，如圖2(e)所示。
在整個電鑄過程中，通過溫控加熱裝置，保持電鑄液溫度恒定。
權(quán)利要求
1.一種高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)電鑄方法，其特征在于包括以下步驟(1)、根據(jù)零件的形狀和尺寸設(shè)計制作屏蔽電場用的具有特定鏤空圖案的活動膜板；(2)、在電鑄加工過程中，活動膜板置于陰陽極之間，使活動膜板與陰極根據(jù)沉積物的高度作相對間斷移動，即(a)、電鑄開始時，將活動膜板與陰極貼合，用電源供電，電沉積發(fā)生，此時稱為第一次電沉積；(b)、電鑄一定時間后，斷開電源，活動膜板在電鑄結(jié)構(gòu)的高度生長方向移動一定距離，使其距陰極為δi，δi為第i次電沉積時活動膜板與陰極表面距離，其中i＝1，2，3，…，k，…，k為自然數(shù)；(c)、再用電源供電電沉積發(fā)生，稱第i次電沉積其中i＝2，3，…，k，…，k為自然數(shù)；且活動膜板與陰極作相對間斷移動時，受以下關(guān)系的約束i＝1H＝0，δ1＝0，h1＜＝t；i＝kH＝h1+h2+…+hk-1，δk-1＜δk＜＝H，hk＜＝δk+t-H，i＝2，3，…，k，…，k為自然數(shù)；其中t為活動膜板厚度，hi為第i次電沉積時沉積的金屬層厚度，H為第i次電沉積前已鑄微結(jié)構(gòu)的高度；(d)、重復(fù)上述(b)和(c)步驟，直到達(dá)到微結(jié)構(gòu)的高度要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)電鑄方法，其特征在于實現(xiàn)所述的活動膜板與陰極間的相對移動，是依靠活動膜板在電鑄結(jié)構(gòu)高度生長方向的運(yùn)動實現(xiàn)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維微細(xì)結(jié)構(gòu)電鑄方法，其特征在于實現(xiàn)所述的活動膜板與陰極間的相對移動，是陰極在電鑄結(jié)構(gòu)生長方向的相反方向運(yùn)動實現(xiàn)的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)電鑄方法，其特征在于制作活動膜板可以利用光刻工藝首先根據(jù)要求設(shè)計掩模，然后將光敏材料涂覆于襯底上，利用光源將掩模板上的圖形轉(zhuǎn)移到光敏材料上，然后用電化學(xué)或化學(xué)蝕刻法將襯底腐蝕掉，形成具有特定鏤空圖案的活動膜板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)電鑄方法，其特征在于制作活動膜板可以利用體硅或DRIE工藝在硅片上刻蝕出所需圖案，形成活動膜板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)電鑄方法，其特征在于制作活動膜板可以利用機(jī)械加工在絕緣薄片上加工出所需圖案，形成活動膜板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)電鑄方法，其特征在于制作活動膜板可以利用激光微細(xì)加工技術(shù)在絕緣薄片上加工出所需圖案，形成活動膜板。
全文摘要
一種高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)電鑄方法，屬于微細(xì)加工領(lǐng)域。該方法的特點在于電鑄的掩膜板是具有特定鏤空圖案的獨立式活動膜板，該膜板既不依附于陰極也不依附于陽極。在微細(xì)電鑄過程中，活動膜板根據(jù)已電鑄的微結(jié)構(gòu)高度相對陰極間斷運(yùn)動，將整個高深寬比的微結(jié)構(gòu)分割成多段加以電鑄，使微細(xì)電鑄傳質(zhì)條件大為改善，有利于提高電鑄質(zhì)量和電鑄速度?；顒幽ぐ蹇梢远啻沃貜?fù)使用，降低了生產(chǎn)成本，利于工業(yè)生產(chǎn)。應(yīng)用本發(fā)明可以用高度有限的掩膜加工出無限深寬比(原理上)的微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)的材料可以是單一金屬，也可以是合金。
文檔編號C25D1/00GK1958862SQ20061009675
公開日2007年5月9日 申請日期2006年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月13日
發(fā)明者朱荻, 曾永彬, 曲寧松 申請人:南京航空航天大學(xué)