基于微电铸工艺的低应力MEMS安保机构制作

摘要

随着微机电系统的发展，基于UV-LIGA技术制作的金属微器件在武器装备和航空航天等领域的应用日益广泛。然而，微电铸器件中残余应力过大会导致铸层出现变形和分层等现象，这将给微器件的尺寸精度、机械性能和使用寿命带来极为不利的影响。本文针对一款引信MEMS安保机构，围绕低应力安保机构制作工艺和微器件中残余应力检测等问题开展研究，主要研究内容包括以下方面： 根据安保机构中基板框架、隔爆滑块、离心保险锁、后坐保险锁和微弹簧的结构特点，制定了相应的制作工艺路线，并分析了制作中存在的难点。其中，基板框架微结构中由于大面积电沉积区域的存在，极易因铸层中残余应力过大导致制作失败。为减小基板框架中残余应力，利用ANSYS软件对添加应力释放结构前、后的基板框架进行了残余应力仿真分析。由仿真结果可知，添加应力释放结构有助于降低和均化基板框架中残余应力。而后坐保险锁作为安保机构中的主要功能结构，并不能通过添加应力释放结构的方法解决该结构由于残余应力导致的变形问题。 为探究减小后坐保险锁微结构中残余应力的方法，分别开展了时效处理和兆声辅助微电铸实验。由实验结果可知：时效处理作为后处理方法，能够有效减小后坐保险锁由于残余应力过大导致的弯曲变形，但该方法会使微结构的韧性和表面质量等性能变差；兆声辅助微电铸则在电沉积阶段减小残余应力的产生，且不会对微结构其他性能造成不利影响。因此，兆声辅助微电铸可用于制作低应力的后坐保险锁微结构，但通过弯曲变形量只能定性地表征该方法对微结构中残余应力的影响。 为定量表征有、无兆声辅助条件下电铸后坐保险锁中的残余应力，基于纳米压痕技术和X射线衍射法，开展了有、无兆声辅助电铸样片中残余应力的测试。根据纳米压痕技术中Suresh模型和Lee模型，讨论了不同计算模型对应力测试结果的影响。研究结果表明：由Lee模型计算的镍镀层残余应力值与采用X射线衍射法的测量结果更接近。根据Lee模型计算结果，添加兆声辅助后，后坐保险锁样片中残余应力减小了57.84%，验证了兆声辅助电铸能够有效减小微铸层中残余应力。 根据上述研究内容，进行了微结构的制作和MEMS安保机构的装配。由制作结果可知，基板框架和后坐保险锁均未出现铸层分层和弯曲等问题，验证了添加应力释放结构和采用兆声辅助微电铸工艺制作低应力微结构的可行性。最后对装配后MEMS安保机构中的关键尺寸进行了测量，并分析了尺寸误差的来源。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 MEMS安保机构研究现状

1.3 减小微电铸层残余内应力的方法

1.3.1 工艺参数改进法

1.3.2 时效处理

1.3.3 超声辅助微电铸

1.3.4 兆声辅助微电铸

1.4 残余应力检测方法的研究进展

1.4.1 有损检测法

1.4.2 无损检测法

1.5 本文的研究内容

2 MEMS安保机构制作工艺方案的确定

2.1 MEMS 安保机构

2.2 制作方案的确定

2.2.1 工艺技术的选择

2.2.2 工艺路线确定

2.3 制作工艺难点

2.3.1 制作低应力的电铸微结构

2.3.2 大厚度光刻胶母模的制作

2.4 本章小结

3 减小后坐保险锁铸层残余应力的方法

3.1 后坐保险锁变形

3.2 时效处理对微结构铸层残余应力的影响

3.2.1 热时效

3.2.2 振动时效

3.3 兆声波搅拌对微结构铸层残余应力的影响

3.3.1 后坐保险锁微结构兆声辅助微电铸实验

3.3.2 兆声辅助微电铸对铸层残余应力的影响

3.4 本章小结

4 纳米压痕技术检测兆声辅助电铸微结构中残余应力

4.1 纳米压痕技术检测残余应力

4.1.1 测量原理概述

4.1.2 利用载荷－位移曲线测量残余应力的计算模型

4.2 纳米压痕技术检测电铸微结构中残余应力实验

4.2.1 样片制作

4.2.2 压痕测试位置选择

4.2.3 压痕测试实验

4.3 压痕实验测试结果分析

4.3.1 载荷—位移曲线

4.3.2 基于Suresh模型和Lee模型的残余应力计算

4.3.3 计算模型的选择

4.4 本章小结

5 MEMS安保机构制作

5.1 MEMS安保机构微结构制作工艺流程

5.1.1 基板框架制作

5.1.2 离心保险锁和隔爆滑块制作

5.1.3 后坐保险锁和微弹簧制作

5.2 大厚度光刻胶母模制作

5.2.1 “边珠”效应

5.2.2 减小“边珠”效应的方法

5.3 MEMS安保机构装配与测量

5.3.1 MEMS安保机构装配

5.3.2 MEMS安保机构装配后尺寸测量及误差分析

5.4 本章小结

总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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