1 大连理工大学 高性能精密制造全国重点实验室，辽宁大连6024
2 大连理工大学 辽宁省微纳米系统重点实验室，辽宁大连11604
在利用微电铸工艺制作惯性开关的过程中，经常会出现由于界面结合强度低而引起的铸层翘起问题。微电铸层与基板的界面结合强度低会降低微开关的制作成品率、延长制作周期、增加制作成本。针对这一问题，本文从界面钝化膜的角度，采用了“电解活化去除钝化膜”和“引入Cu过渡层”的方法。为探究钝化膜对界面结合强度的影响，通过Materials Studio软件对不同钝化膜去除率模型的界面结合能进行仿真计算，计算结果表明钝化膜去除率越高越有利于界面结合强度的提高，在完全去除钝化膜后界面结合强度提高了197%；为探究过渡金属对界面结合强度的影响，分别以Cu，Cr，Ti作为过渡层，与不锈钢基板和镍铸层建立结合层体系，计算体系的结合能，计算结果表明Cu与基板、Cu与铸层的结合能最高，与未引入过渡金属相比，引入Cu后界面结合强度提高了81%。在仿真研究结果的基础上，开展了电解活化实验，通过电解活化法去除了基板表面的钝化膜，实验结果表明：电解活化区域铸层的界面结合强度明显高于未活化区域铸层的界面结合强度；同时开展了铜过渡层实验，对比了有无Cu过渡层的界面结合强度，实验结果表明：引入Cu后，铸层的界面结合强度明显提高。在上述仿真和实验结果的基础上，制作出尺寸为23 mm×20 mm、总高度为900 μm的微惯性开关。
微惯性开关 微电铸 界面结合强度 分子动力学 电解活化 micro inertial switch micro electroforming interface bonding strength molecular dynamics electrolytic activation 光学 精密工程
2023, 31(10): 1464
1 大连理工大学 微纳米技术及系统辽宁省重点实验室, 辽宁 大连 116085
2 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室, 辽宁 大连 116085
以一种微流控微反应器塑件为对象, 提出了用于微塑件整平的等温热压工艺, 研究了等温热压工艺对平板微塑件的整平机理。建立了描述该工艺的弹塑性数学模型, 计算分析了外加压力和温度对塑件表面形貌的影响。综合考虑塑件整平效果和微结构保形, 开展等温热压整平工艺实验, 分析了关键工艺参数对器件整平精度的影响。研究结果表明: 与压力载荷相比, 热载荷对不平度的改善效果更明显; 由于塑件端部区域受力面积大, 其两端变形量均大于中间反应腔的变形量。在相同压力条件下, 70 ℃时平面度和不平度的变化率均为最高。通过工艺优化, 微反应器塑件平面度提高到了10 μm内, 最大变化率可达72.7%; 而不同区域的不平度变化率为3.50%~53.50%, 微结构尺寸变化可控制在5 μm 以下。本文研究成果对提高平板微塑件平整精度有借鉴作用。
等温热压整平 微注塑成型 微反应器塑件 平面度 isothermally hot-embossing micro injection molding plastic microreactor flatness 光学 精密工程
2016, 24(11): 2705
1 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024
2 大连理工大学 辽宁省微纳米及系统重点实验室, 辽宁 大连 116024
3 博奥生物有限公司, 北京 101111
利用微电铸技术制作的微流控芯片模具往往存在沉积厚度不均匀的缺陷, 这种缺陷会影响模具的尺寸精度及使用性能, 并增加模具的制作成本。为了制得厚度均匀的微流控芯片模具, 研究了超声电铸对模具均匀性的影响。首先, 采用有限元软件COMSOL Multiphysics建立微流控芯片模具的微电铸模型, 分析电铸2 h后的模具的厚度分布。并根据该仿真结果, 设计掩模版。然后, 在自主搭建的超声电铸装置中进行一系列电铸实验, 来研究超声搅拌对模具均匀性的影响。实验结果表明: 电铸过程中添加超声搅拌可以改善微流控芯片模具的均匀性。超声功率为200 W时, 超声频率改善模具均匀性的程度为200 kHz＞80 kHz＞120 kHz。超声频率为200 kHz时, 超声功率改善模具均匀性的程度为500 W＞200 W＞100 W。当超声的频率和功率分别为200 kHz和500 W时, 与无超声电铸相比, 模具的均匀性提高约30%。
超声搅拌 微电铸 均匀性 微流控芯片模具 超声空化 声流 ultrasonic agitation micro-electroforming uniformity microfluidic chip mould ultrasonic cavitation acoustic streaming 强激光与粒子束
2016, 28(6): 064111
1 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024
2 大连理工大学 辽宁省微纳米及系统重点实验室, 辽宁 大连 116024
根据光学领域对高深宽比金属微器件的需求,利用UV-LIGA工艺在金属基底上制作了具有高深宽比的金属微光栅.采用分层曝光、一次显影的方法制作了微电铸用SU-8胶厚胶胶模,解决了高深宽比厚胶胶模制作困难的问题.由于电铸时间长易导致铸层缺陷,故采取分次电铸等措施得到了电铸光栅结构;同时通过线宽补偿的方法解决了溶胀引起的线宽变小问题.在去胶工序中,采用“超声-浸泡-超声”循环往复的方法.最终,制作了周期为130 μm、凸台长宽高为900 μm× 65 μm×243 μm的金属微光栅,其深宽比达到5,尺寸相对误差小于1%,表面粗糙度小于6.17 nm.本文提出的工艺方法克服了现有方法制作金属微光栅时高度有限、基底易碎等局限性,为在金属基底上制作高深宽比金属微光栅提供了一种可行的工艺参考方案.
金属微光栅 高深宽比 UV-LIGA工艺 SU-8厚胶 微电铸 metal micro-grating high aspect ratio UV-LIGA technology SU-8 thick photoresist micro electroforming
1 大连理工大学 模塑制品教育部工程研究中心, 辽宁 大连 116023
2 三菱电机 大连理工大学 电加工技术中心, 辽宁 大连 116023
3 大连理工大学 微纳米技术及系统辽宁省重点实验室, 辽宁 大连116023
研究了利用常规电火花线切割技术加工薄镍板微小结构的方法。利用慢走丝电火花线切割加工机床对厚度为0.6 mm镍板上的Meso尺度结构进行了加工试验。以机床现有的工艺条件对零件进行试切割, 对试切割后的尺寸精度和表面质量进行测量分析, 在此基础上通过对放电能量、冲液压力、切割速度等机床参数的调整改进加工工艺。探讨了在200 μm缝宽范围内进行多次切割的方法, 并对切割次数进行合理优化、合并。试验结果表明：慢走丝线切割加工对小于机床设定厚度的薄板Meso尺度结构仍可进行稳定加工; 通过多次切割的方法可提高表面质量。在200 μm窄缝范围内进行5次常规切割, 加工后的表面粗糙度值Ra为0.54 μm; 在保证表面质量的前提下, 将5次切割合并为3次切割, 加工后的表面粗糙度值Ra为0.62 μm, 加工时间缩短了30%左右。该技术可为电火花线切割加工其他材料薄板微小零件提供支持与参考。
电火花线切割加工 微细加工 薄镍板 Meso尺度 多次切割 Wire-cut Electrical Discharge Machining (WEDM) micro-fabrication thin nickel plate meso-scale multiple cutting
1 军事交通学院 军事物流系, 天津 300161
2 大连理工大学 机械工程学院, 辽宁 大连 116023
研究了细胞培养器微注塑模具型腔的制作方法。针对微注塑模具型腔的结构特点, 采用UV-LIGA套刻技术, 分别通过两次SU-8胶光刻和Ni的微细电铸制作了以合金钢为基底的微结构; 然后利用掩膜腐蚀方法在铸层上腐蚀出微排气通道。对SU-8厚胶工艺过程中的溶胀现象、匀胶不平整和去除困难等问题进行分析, 提出在掩膜板图形四周增设封闭的宽度为20 μm的隔离带来减少图形四周SU-8厚胶体积, 改善了该处胶模的热溶胀变形, 使铸层的尺寸误差由原来的35 μm降低到10 μm, 300 μm高的微柱体侧壁陡直。隔离带的引入有效地提高了铸层图形的尺寸和形状精度。由于采用了刮胶的匀胶工艺和发烟硫酸去除SU-8胶的方法, 消除了“边缘水珠效应”, 彻底去除了SU-8胶。采用提出的方法可获得铸层质量好, 与基底结合强度高的微注塑模具型腔。
细胞培养器 UV-LIGA技术 SU-8胶 微注塑模具型腔 微结构 cell culture device UV-LIGA technology SU-8 thick photoresist micro-injection mold cavity microstructure
1 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室, 辽宁 大连, 116024
2 大连理工大学 辽宁省微纳米及系统重点实验室, 辽宁 大连, 116024
首次将超声处理引入UV-LIGA工艺中, 研究了超声处理对SU-8胶模溶胀的影响, 并探讨了其影响机理, 从而获得了减小胶模溶胀及提高电铸微器件尺寸精度的方法。试验研究了超声处理对显影过程及电铸过程中SU-8胶模溶胀的影响, 分析了不同超声时间下SU-8胶表面亲水性的变化趋势, 并计算了不同超声时间下胶模的溶胀去除率。讨论了超声处理对不同结构微器件尺寸精度的影响。试验结果表明: SU-8胶模在显影过程中的溶胀不明显, 并且超声处理对显影过程中胶模的溶胀影响很小, 其主要影响SU-8胶模在电铸过程中的溶胀。随着超声时间的增加, 胶模溶胀及其表面亲水性均呈现先减小后增大的趋势。当超声时间为10 min时, 胶模溶胀最小, 其溶胀去除率α值可高达70%, 并且超声处理后电铸微器件的尺寸误差与结构尺寸无关。根据超声波的机械断键作用与聚合物吸水机理, 从亲水性和内应力两个方面, 探究了SU-8胶模溶胀随超声时间的增加而变化的原因。文中提出的减小SU-8胶溶胀的方法不依赖于工艺参数也不会增加掩模图形设计的复杂性, 是一种实用的减小SU-8胶溶胀的新方法。
超声处理 SU-8光刻胶 溶胀 电铸 ultrasonic treatment SU-8 photoresist swelling electroforming UV-LIGA UV-LIGA
1 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁 大连 116024
2 大连理工大学 辽宁省微纳米及系统重点实验室,辽宁 大连 116024
针对金属微注塑模具UV-LIGA制作过程中由于SU-8胶内应力过大而引起的胶膜破裂、变形甚至脱落等问题，提出将超声时效技术应用于微注塑模具的制作工艺。首先，利用紫外光刻工艺制备了电铸胶膜，在显影前使用自制的超声时效装置对胶膜进行超声处理。然后，采用无背板生长方法在38CrNiMnMo模具钢基底上直接进行镍金属的电铸生长，讨论并解决了工艺过程中遇到的SU-8胶浮胶变形、非圆形基片的匀胶、胶膜中的气泡以及微电铸层结合不牢等问题。最后，制作出微通道宽度和高度分别为80 μm和35 μm的微注塑模具。实验结果表明，超声时效技术的使用避免了由于SU-8胶内应力过大引起的破裂、变形甚至从基底脱落等缺陷，增强了UV-LIGA技术制作微注塑模具的能力，提高了制作微注塑模具的成功率。
超声时效技术 微注塑模具 UV-LIGA工艺 SU-8光刻胶 内应力 ultrasonic stress relief technology microinjection mold UV-LIGA process SU-8 photoresist internal stress
1 大连理工大学 辽宁省微纳米技术及系统重点实验室，辽宁 大连 116024
2 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁 大连 116024
为了制作三维金属微结构，研究了UV-LIGA和微细电火花加工技术组合的工艺方法。使用UV-LIGA技术制作了准三维金属微结构,然后，对该微结构进行微细电火花加工制作三维金属微结构。使用提出的方法制作出了局部为梯形凸台和锥形凹槽三维微结构的镍模具,给出了梯形凸台和锥形凹槽的尺寸。分析了微细电火花加工中放电参数对表面粗糙度的影响，在工作电压为65 V，标称电容为100 pF时得到了Ra为0.08 μm的微细电火花加工表面。研究结果表明，使用该方法可实现三维金属微结构的制作;通过减小工作电压和标称电容的方法可降低微细电火花加工的表面粗糙度。
三维金属微结构 微细电火花加工 组合制作 表面粗糙度 3D metal microstructure UV-LIGA UV-LIGA micro Electrical Discharge Mechining(EDM) surface roughness
1 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁 大连 116023
2 大连交通大学,辽宁 大连 116028
3 大连理工大学 辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,辽宁 大连 116023
研究了LIGA/UV-LIGA的核心技术微电铸的内在规律,对影响铸层生长的阴极电流密度和流体流场进行了数值分析。以微流控芯片微模具上的十字电铸层为研究对象,建立了微电铸的数学模型。给出了描述微电铸体系电流密度和流体流场的偏微分方程,运用有限元法对微电铸体系进行三维数值仿真,得到了电流密度分布和流体流场分布的数值结果。选择十字铸层上的测量点,由该点处电流密度和流体流速仿真数据计算出微电铸4 h的铸层生长高度仿真值,并与相同工艺条件下的微电铸实验铸层生长高度进行对比。结果显示,对应各测量点微电铸生长高度仿真值和实验值的变化趋势接近,绝对偏差小,最大绝对偏差为4.437 μm,最小绝对偏差为0.264 μm。实验表明这种数值仿真方法适用于微电铸工艺设计的辅助分析,可缩短微电铸工艺的开发周期。
微电铸 阴极电流密度 流体 三维数值仿真 micro-electroforming cathode current density fluid 3D numerical simulation
