UV-LIGA与微细电加工组合制造金属阵列网板技术研究

【摘要】：随着MEMS技术及微细加工技术的发展,金属微细阵列网板得到了越来越广泛的应用,如电子显微镜的透光栅网、喷墨打印机的喷板、纺织机械行业的喷丝板和印花网、航空、化工、食品等行业的精细过滤网、粒子筛分网等等。如何实现微细阵列网板的高效、低成本制造一直是国内外学术界和产业界持续关注的研究课题。 本文主要针对Micro/Meso尺度金属阵列网板的加工,提出了UV-LIGA与微细电加工技术组合制造微细阵列网板技术,该技术既结合了UV-LIGA技术成本低廉、易于批量生产,微细电火花可控性好和微细电解无工具损耗等各种加工手段的优点,又避开了UV-LIGA只能制造铜、镍及其合金等几种金属,微细电火花存在工具损耗、具有再铸层,微细电解工具电极制造困难等缺点,是一种高效、低廉的新型加工手段。最后对过电铸缩孔工艺制作超小尺寸微细阵列网板技术进行了探讨。本文的主要内容包括以下几个方面。 (1)提出金属基底上超厚(1mm)SU-8胶模制造方法。实验研究了基于金属基底的超厚SU-8光刻胶紫外光刻工艺的各个环节,包括倒胶方式、前烘温度与时间、曝光剂量、后烘温度与时间、显影方式及时间等。在正交试验的基础上选取优化的工艺组合,并用实验验证了其正确性。利用优化的工艺措施,制备出了厚度达1mm,最大高径比达20的高尺寸精度、轮廓清晰、表面质量好、无明显缺陷、与基底结合力强的超厚胶模。 (2)针对交联SU-8胶去胶困难的问题,分别对阴性胶结构和阳性胶结构提出了有效的去胶方法。阴性胶结构在电铸前先通过掩膜电解的方法制作微坑作为桩基,在微坑上电铸可以有效增强电铸金属与金属基底的结合力,从而保证去胶时电铸金属微结构不被剥离。对阳性胶结构,电铸后通过高温灰化的方式去除交联的SU-8胶。 (3)给出了两种制造金属阵列微细电极的技术。电解辅助UV-LIGA法制造金属阵列电极技术和UV-LIGA与微细电火花加工组合制造大高径比微细阵列电极技术。电解辅助UV-LIGA法即在电铸前先通过掩膜电解的方法制作微坑提高电铸结合力,建立了超厚胶掩膜电解电场模型,对微坑的成型过程进行了仿真。选取合适的电解加工参数,最终获得了完整的微细阵列电极。UV-LIGA与微细电火花加工组合制造法既克服了UV-LIGA制作凸起微细阵列电极时去胶困难的问题,又解决了微细电火花电极制作困难的缺点,通过优化微细电火花加工条件,一次套料加工出长度达1.5mm,高径比达17.65的阵列电极。 (4)利用制作的微细阵列电极作为工具在100μm厚的不锈钢片上进行微细电解加工。分析了电解液组成、电极进给速度、加工电参数等对微孔电解加工精度和加工稳定性的影响。结果显示,通过采用脉冲电解加工电源、低浓度的电解液、低加工电压等措施,微细电解加工的加工精度、加工稳定性等都得到了明显的提高。根据分析优化后的参数,以制备出的阵列电极为工具阴极进行微细群孔的电解加工实验。通过对阵列电极进行绝缘处理,电解加工出了异形孔阵列结构。 (5)提出过电铸缩孔工艺制造超小孔(10μm)阵列结构。建立了过电铸缩孔工艺的电场模型,对电沉积过程进行了模拟仿真,将数值分析结果用于指导实验。最终制备了直径4μm的超小孔阵列。实验表明,过电铸缩孔技术是一种高效、低廉、可批量生产的制作超小孔的技术手段。