面向微機電系統(tǒng)的微細電鑄制造技術

葛魯波， 鄒 鋒

（浙江工商職業(yè)技術學院，浙江 寧波315012）

0 前言

集微傳感器／執(zhí)行器及其電控系統(tǒng)和輔助器件于一體且兼具自響應、自處理和自感知等功能的微機電系統(tǒng)（MEMS），以其體積小、質量輕、能耗低和靈敏度高等突出優(yōu)點，在航空航天、精密機械、儀器儀表、武器裝備和信息等諸多高新技術領域中展現(xiàn)出廣闊的應用空間和美好的應用前景。對MEMS而言，其實現(xiàn)手段可概括為精密／超精密機械加工、硅微細加工、高能束刻蝕、激光微加工和微細特種加工等［1］。其中隸屬于微細特種加工范疇、基于電化學沉積原理、以原子量級自下而上堆疊方式實現(xiàn)微結構／器件成型的微細電鑄制造技術，因具有工藝成本低、工藝柔性好、復制精度高和材料選擇尺度寬等優(yōu)勢，在MEMS制造領域備受青睞，目前已成為主流制造技術［2］。依托微細電鑄為主要工藝手段，成功制備出多種不同規(guī)格和不同尺度的MEMS微結構部件。然而，該技術也存在一定的不足之處，制約其進一步深化應用。例如：制造的微結構／器件易存缺陷，致使性能品質弱化；高深寬比MEMS微結構的實現(xiàn)仍頗為困難，制約微傳感器靈敏度的提升和微執(zhí)行器輸出力矩的增大等。著眼于有效地解決技術難題以深度拓展微細電鑄制造技術的應用空間，許多學者從強化電極過程液相傳質、優(yōu)化電鑄參與要素、改善電鑄空間環(huán)境等方面進行了積極嘗試和大膽探索，相繼提出超聲微細電鑄技術［3］、超臨界微細電鑄技術［4］、屏蔽模板隨動式微細電鑄技術［5］、輔助交變低氣壓-溫度梯度微細電鑄技術［6］和高壓微細電鑄技術［7］等一系列新型技術，并相應開展了探索研究。

1 微細電鑄制造技術

1.1 超聲微細電鑄技術

超聲微細電鑄技術的機理為：于電鑄體系內（電解液中或陰極內）施加恒頻或變頻超聲振動，借助超聲波在傳播過程中誘發(fā)的微射流、空化和機械等多種效應，增強電極過程傳質效果，減弱濃差極化，減薄擴散層，以此來改善微結構件的形貌質量，提高深鑄充填能力。

明平美等［3］基于該技術，采用優(yōu)選的工藝參數(shù)，制備出形貌良好且深寬比接近3的微米級特征結構，如圖1所示。

圖1 超聲環(huán)境下電鑄的微結構形貌

為進一步驗證超聲微細電鑄的工藝能力，選取更高深寬比（高達5）且更微尺度（凹槽寬20μm）的微型柔性探針作為實現(xiàn)目標。實驗結果顯示：采用超聲微細電鑄技術能制造出廓形清晰、表面平整且無明顯缺陷的高深寬比微型探針，如圖2所示。

圖2 基于超聲微細電鑄技術制備的微型探針

1.2 超臨界微細電鑄技術

超臨界微細電鑄是一種將電鑄技術與超臨界特性有機結合，借助超臨界CO2電沉積法制備MEMS微結構的新型工藝方法，同時也被譽為極具發(fā)展?jié)摿Φ木G色微器件成型技術［8］。對該技術而言，由于超臨界特性的彰顯依賴于特殊的環(huán)境（特殊的工作溫度和壓力），故技術效果的實現(xiàn)須依托必要條件。如圖3所示，超臨界微細電鑄裝置構成復雜，包括CO2氣體源、高壓泵、恒溫系統(tǒng)和CO2回收裝置等多個部分。盡管如此，超臨界特性還是賦予了該技術諸多優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為：有利于加快離子傳輸速率，縮短電鑄周期；可有效改善微結構／器件的厚度均勻性；能抑制針孔、積瘤等沉積缺陷的形成，改善微電鑄件的表面平整性。并且，這些有益效果均已被實驗證實。

圖3 超臨界微細電鑄裝置簡圖

1.3 屏蔽模板隨動式微細電鑄技術

屏蔽模板隨動式微細電鑄是借助模板的屏蔽效應，以選擇性和層層疊加的方式實現(xiàn)金屬微結構／器件成型。其原理為：模板與陰極面間隙極微或緊密貼合時，因強屏蔽效應的彰顯，電場僅存于模板鏤空圖案對應的陰極區(qū)域內，故金屬離子也只能沉積填充該區(qū)域；隨著沉積層逐漸疊高，屏蔽模板微量上移。依此遞推，最終實現(xiàn)微結構成型。

由于模板厚度不受限制，因而可利用有限厚度的模板制造出高深寬比微結構器件。已有文獻報道［9］：基于該技術，成功獲得直徑為500μm、深寬比約為5的微型電極和線寬為250μm、深寬比達8的E型微驅動器梳齒，形貌如圖4所示。由圖4可知：所得微結構形貌良好，廓形清晰完整，側壁較陡直。

圖4 金屬微結構形貌

1.4 輔助交變低氣壓-溫度梯度微細電鑄技術

與上述技術的依托載體不同，輔助交變低氣壓-溫度梯度微細電鑄技術依托于非常態(tài)環(huán)境下實施。其原理為：在上層溶液與陰極面間施加垂直溫度梯度（陰極面高溫、上層溶液低溫），利用溫差引起的自然對流效應，驅動上下液層間的物質交換，加速擴散傳質進程；同時，周期性地保持電鑄空間內處于低壓狀態(tài)，借助負壓抽吸效應加速氣泡的脫附和脹破，以此來擾動沖擊周圍液層，提高傳質效率。鑒于所具備的強化自然對流傳質和去除氣泡降低缺陷形成幾率兩大獨特優(yōu)勢，該技術為優(yōu)異形貌MEMS微結構件的制備提供了可行手段。文獻［6］報道了采用輔助交變低氣壓-溫度梯度微細電鑄技術，在特定工藝條件下制得近無缺陷、形貌良好、側壁陡直且廓形完整清晰的微線圈，如圖5所示。研究表明：空間氣壓和溫度梯度均對電鑄微結構的形貌質量有明顯影響，在工藝條件許可的前提下，降低氣壓、增大溫度梯度有利于獲得良好的工藝效果。

圖5 輔助交變低氣壓-溫度梯度環(huán)境下電鑄的微線圈

1.5 高壓微細電鑄技術

高壓微細電鑄技術的實施載體也為非常態(tài)環(huán)境，但與真空環(huán)境的加速氣泡逸離、縮短附著周期的機理不同，高壓環(huán)境的作用機理在于降低液體表面張力，抑制氣泡吸附，故而可從根本上消除微結構件缺陷的形成誘因。另外，高壓環(huán)境作用于電解液中能誘發(fā)強烈的攪拌和擾動效應，加速、提高微空間內的物質交換進程和效率，驅動反應金屬離子向陰極面附近遷移，為高深寬比微器件的實現(xiàn)創(chuàng)造關鍵前提和有利條件。

Tsai等［7］以高壓微細電鑄技術為主要工藝平臺，制造出兩種不同規(guī)格的缺陷極少、壁面光整的微結構件。二者的相同之處在于高度均為1mm左右。不同之處在于：前者寬200μm，深寬比接近5；而后者的寬度僅為10μm，但深寬比高達100。

2 結語

兼具工藝成本低、成型精度高和材料選擇尺度寬等諸多優(yōu)勢的微細電鑄制造技術，現(xiàn)已在低深寬比微機電系統(tǒng)結構及零部件制造領域中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)越性。然而對于高深寬比（高于5）微結構／器件的制造，總體而言效果不盡理想，尚存部分技術難題亟待攻克。探索深微尺度電鑄空間內液相傳質的高效促進措施，以推動微細電鑄制造技術的深化發(fā)展，將是今后的研究重點。

［1］明平美，胡洋洋，朱健.微細電火花加工MEMS器件技術關鍵分析［J］.微納電子技術，2005（4）：157-163.

［2］ISSAEV N N，SCHRODT A G.Consumption-related development in microelectroforming［J］.Microsystem Technologies，2001，7（1）：44-46.

［3］明平美，朱荻，胡洋洋，等.超聲微細電鑄試驗研究［J］.中國機械工程，2008，19（6）：644-647.

［4］雷衛(wèi)寧，劉維橋，王江濤，等.一種基于超臨界CO2的電化學沉積新方法及其應用研究［J］.材料導報，2009，23（11）：91-95.

［5］曾永彬.屏蔽模板隨動式微細電鑄技術的基礎研究［D］.南京：南京航空航天大學，2008.

［6］MING P M，ZHU D，HU Y Y，etal.Micro-electroforming under periodic vacuum-degassing and temperature-gradient conditions［J］.Vacuum，2009，83（9）：1 191-1 199.

［7］TSAI T H，YANG H，CHEIN R.New electroforming technology pressure aid for LIGA process［J］.Microsystem Technologies，2004，10（5）：351-356.

［8］王星星，雷衛(wèi)寧，劉維橋，等.MEMS微器件電沉積層均勻性的研究進展［J］.稀有金屬材料與工程，2011，40（12）：2 245-2 251.

［9］ZHU D，ZENG Y B.Micro electroforming of high-aspect-ratio metallic microstructures by using a movable mask［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2008，57（1）：227-230.