考虑获知SU-8胶的光弹性性能有利于拓展其在微纳米领域中的应用范围, 本文设计了材料应力光学系数显微测量光路, 完成了SU-8胶应力光学系数的测量实验。首先, 基于光弹性原理设计了测量光路, 推导了求解应力光学系数的计算公式; 然后, 根据所设计的光路搭建了应力光学系数显微测量实验装置, 在SU-8胶试样光弹性条纹的单个半级数范围内进行了单向拉伸实验; 最后, 利用Matlab提取实验照片组中光强值信息, 得到了不同拉力下透过SU-8胶试样的单色光光强值, 计算求解出了SU-8胶的应力光学系数。实验结果以及测量公式计算显示, SU-8胶的应力光学系数为(3.007±0.149)×10–11 m2/N, 大于光学玻璃等材料的应力光学系数, 也远大于二氧化硅等MEMS领域常用材料的应力光学系数。实验结果可为以SU-8胶为材料, 通过光弹性原理进行微力测量的微探针、微夹钳等的设计与制作打下基础。

为了使用微流体细胞仪对细胞精确计数, 采用紫外光刻工艺制作了能够真正实现三维聚焦功能的微流体检测芯片(微流控芯片)。使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行二次倒模复制其结构以缩短微流控芯片制作周期、降低制作成本, 并进行了芯片的封装与测试。首先, 利用沉浸式光刻技术和斜曝光工艺制作了具有三维聚焦功能的SU-8微流沟道; 然后, 利用PDMS对所制作的SU-8微流沟道进行一次倒模, 得到其负模结构; 对负模结构进行表面处理后, 再进行二次倒模, 得到PDMS微流沟道; 最后, 封装PDMS微流沟道与盖片, 制得微流控芯片, 并对微流控芯片的沟道聚焦效果进行了测试。实验测试发现随着鞘流与样本流流速比不同, 得到样本流的聚焦宽度也不同。当鞘流与样本流流速比为20∶1时, 可以得到约10.4 μm的聚焦宽度。结果表明, 该芯片结构可靠, 可以满足进一步的流体聚焦检测要求。采用该方法制作的微流控芯片具有生产周期短、成本低、效率高和结构可靠的特点。

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。

提出了一种电解水式驻留微气泡减阻的柔性微机电系统(MEMS)蒙皮技术, 研究了蒙皮结构设计以及加工工艺。设计了一种包含柔性基底层、金属电极图案层和微凹坑阵列层的三层式蒙皮结构, 提出了两种基于MEMS工艺的制作方法。分别采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)和SU-8胶材料制作了微凹坑阵列层, 并对其关键工序进行了实验研究。以SU-8胶为微凹坑阵列材料制作了柔性MEMS蒙皮样件。所制样件中, 圆柱形驻气凹坑的直径为40 μm、深度为50 μm、密度为6.25×104/cm2、样件总厚度为90 μm, 可弯曲并贴附于截面直径为28 mm的圆柱体表面而不损坏。结果显示了MEMS减阻蒙皮工艺的可行性, 证明将电解水式驻留微气泡的柔性减阻蒙皮设计与MEMS工艺有机结合, 是一种航行体表面减阻的有效技术途径。

为解决SU-8胶微电热驱动器在工作过程中存在平面外运动的问题, 提出了一种具有铜-SU-8胶-铜三层对称结构的新型SU-8胶V形微电热驱动器。采用刚度矩阵方法建立了包含被驱动结构刚度的微电热驱动器力学模型, 并针对一种柔性微夹钳, 利用该模型对微电热驱动器进行了几何参数设计。利用Ansys仿真软件对所设计微驱动器进行了分析, 仿真结果验证了所建模型的合理性。提出了一种新的MEMS加工工艺来制作三层结构微电热驱动器, 并测试了它的性能。结果表明, 实验结果与仿真结果相差不大, 在150 mV驱动电压下, 所设计微驱动器温度仅升高约32.93°C, 并对微夹钳产生约2.5 μm的输入位移, 使微夹钳产生126 μm的钳口距离改变量。微驱动器仅消耗大约30.35 mW的功率, 钳口的平面外运动小于500 nm。最后, 利用微电热驱动器驱动的微夹钳成功地对一个长1.2 mm, 宽135 μm, 厚50 μm的SU-8胶材料微型零件进行了微操作实验, 实验证明了微驱动器实际性能基本满足设计要求。

由于SU-8胶的弹性模量比硅的低, 在SU-8胶悬臂梁上集成金属压阻可获得很高的力灵敏度系数, 因此本文基于SU-8胶设计并制作了一种集成蛇形结构铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器。介绍了制作微力传感器的新型工艺, 并进行了传感器性能测试。实验结果表明：设计的SU-8胶微力传感器在0~350 μN具有较好的线性度, 力灵敏度为0.24 mV/μN, 测量误差为4.06%。该微力传感器可以满足对微小力的测量, 相对于硅材料的微力传感器, 其制作工艺更加简单, 周期更短。由于SU-8胶的生物兼容性好, 该传感器在生物医学研究领域有着很好的应用前景。

利用聚合物SU-8光刻胶在激光作用下折射率会发生变化的特点，将其作为最后的光学材料，采用光刻胶热熔法和图形转移法，设计并制作了填充因子接近0.75、自写入光波导、六角排列的微透镜阵列。对阵列的表面形态、三维结构和光学性能分别进行了观察、测试与分析，发现用SU-8胶制作的微透镜阵列外观良好，边缘清晰；自写入光波导微透镜阵列的三维结构良好；波导末梢的光点分布均匀，光强一致性高。这种自写入光波导的微透镜阵列降低了透镜阵列与探测阵列精确装配的难度，而且其制作工艺流程简单、成本低廉、适合批量复制，这种阵列元件还有质量轻、体积小的特点，有很广的应用前景。

采用UV-LIGA技术制作了超高金属微细阵列电极，并利用电解置桩的方法辅助去除SU-8胶。通过单次涂胶和提高前烘温度、降低后烘温度的方法制作了厚度达1 mm的SU-8胶结构；采取反接电极法在金属基底上电解得到微坑，增强电铸金属电极与金属基底的结合力，保证去胶后电铸金属的完整性。选取优化的工艺参数：单次注射式涂胶，前烘110 ℃/12 h，适量曝光剂量，分步后烘50 ℃/5 min、70 ℃/10 min、90 ℃/30 min，反接电极电解10 V/15 min等，获得了高900 μm、线宽300 μm的金属微细阵列电极结构。试验表明，UV-LIGA技术是一种高效、经济的制造超高微细阵列电极的有效手段。

对探针的制作方法、关键工艺环节等进行了分析与研究,给出了基于UV-LIGA技术制备微型柔性镍接触探针的工艺过程,分析了制备的技术关键,试验优选了关键制备环节的工艺参数,在此基础上,制作出微型柔性镍接触探针.试验结果表明:采用工艺条件优选的UV-LIGA技术,如前烘60 ℃,120 min,90 ℃,120 min;较大曝光剂量;后烘65 ℃,10 min,95 ℃,45 min;匀胶后静置、随炉冷却和超声辅助显影等辅助措施,所制备出的柔性接触探针(主体总长4 mm,宽80 μm,高100 μm;弹簧处高宽比为5(100 μm:20 μm))尺寸精度高;三角锥状针尖曲率半径小于5 μm;缺陷少,形貌质量高.

研究了衍射效应对SU-8胶紫外光刻尺寸精度的影响.根据菲涅耳衍射理论建立了紫外曝光改进模型,预测微结构的尺寸,分析了光刻参数变化对尺寸的影响.为了更好地与数值模拟结果进行比较,以硅为基底,进行了SU-8胶紫外光刻的实验研究.实验分四组,实验中掩模的特征宽度分别取50 μm、100 μm、200 μm和400 μm,SU-8胶表面的曝光剂量取400 mJ/cm2.用扫描电镜测量了微结构的顶部线宽、底部线宽和SU-8胶的厚度,用MATLAB软件对紫外曝光过程中SU-8胶层内曝光剂量的分布情况进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果基本吻合.数值模拟结果为进一步的实验研究提供了光刻参数的参考值.