跨尺度、高深寬比慣性微開關(guān)制作工藝研究

杜立群，陳勝利，陶友勝，羅　磊，趙　明，劉雙杰

（1.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024；2.大連理工大學(xué)遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024；3.沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧沈陽110016）

跨尺度、高深寬比慣性微開關(guān)制作工藝研究

杜立群1，2，陳勝利2，陶友勝2，羅磊2，趙明2，劉雙杰3

（1.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024；2.大連理工大學(xué)遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024；3.沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧沈陽110016）

采用基于光刻和微電鑄的多層UV-LIGA工藝在金屬基底上制作了慣性微開關(guān)。研究了電鑄面積對(duì)膠層內(nèi)應(yīng)力的影響，解決了膠層從基底脫落的問題。通過實(shí)驗(yàn)分析了電流密度對(duì)鑄層層間結(jié)合力的影響，解決了鑄層分層問題。通過煮沸無機(jī)酸的方式去除高深寬比金屬微結(jié)構(gòu)內(nèi)的光刻膠，解決了SU-8膠去膠難的問題。最終，成功制作出外形尺寸為14 mm×11 mm×0.6 mm的跨尺度、高深寬比慣性微開關(guān)，其最小線寬為29.8 μm，最大深寬比為17∶1，從而克服了目前制作慣性微開關(guān)時(shí)基底易碎、需濺射導(dǎo)電種子層、整體尺寸小、深寬比低的局限性。

慣性開關(guān)；微電鑄；UV-LIGA；跨尺度

慣性開關(guān)是一種用于檢測沖擊加速度的傳感器，一般由質(zhì)量塊和彈簧組成。在沖擊加速度的作用下，質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)到指定位置，與固定電極接觸并產(chǎn)生電信號(hào)，以達(dá)到檢測沖擊加速度的目的。與傳統(tǒng)的機(jī)械慣性開關(guān)相比，慣性微開關(guān)體積小、成本低、易集成，接口電路簡單且性能優(yōu)越，因此被廣泛應(yīng)用在汽車安全氣囊、交通運(yùn)輸、安保設(shè)備及小口徑武器彈藥的保險(xiǎn)和解除保險(xiǎn)裝置中。

UV-LIGA工藝是制作慣性微開關(guān)的有效手段，主要由光刻和微電鑄2個(gè)步驟組成。在光刻階段利用光刻膠制作掩蔽層圖形，隨后進(jìn)行微電鑄，通過電沉積獲得金屬微結(jié)構(gòu)。目前，采用UV-LIGA工藝制造慣性微開關(guān)的方法是在玻璃或硅基底上濺射導(dǎo)電種子層，經(jīng)光刻、電鑄獲得慣性微開關(guān)［1-3］，但在制作過程中，玻璃或硅基底易碎裂，導(dǎo)致制作失敗，且玻璃和硅的電導(dǎo)率低，電鑄時(shí)需在基底上濺射導(dǎo)電種子層，增加了工藝復(fù)雜度。同時(shí)，用這些方法制作的慣性微開關(guān)整體尺寸小、深寬比低，不適用于質(zhì)量塊移動(dòng)距離長和質(zhì)量大的場合，安裝和集成難度大。

本文采用多層UV-LIGA工藝在金屬基底上制作了跨尺度（從毫米級(jí)到微米級(jí)）、高深寬比（最大深寬比為17∶1）的慣性微開關(guān)，解決了制作過程中基底易碎裂的問題，且無需濺射種子層，工藝過程簡單，制作成本低。同時(shí)，該方法突破了現(xiàn)有方法制作慣性微開關(guān)整體尺寸小和深寬比低的局限，解決了跨尺度金屬微器件制作時(shí)膠層易從基底脫落的問題，以及多層金屬微結(jié)構(gòu)層與層之間結(jié)合力差而導(dǎo)致的鑄層分層問題，為在金屬基底上制作跨尺度、高深寬比的金屬微結(jié)構(gòu)提供了有益的參考。

1　慣性微開關(guān)的制作

慣性開關(guān)由基板、隔爆板、后座滑塊、轉(zhuǎn)銷和彈簧五部分組成。首先需分別制作各個(gè)部件，然后進(jìn)行微裝配，以獲得慣性開關(guān)。基板高度為600 μm，隔爆板、轉(zhuǎn)銷和后座滑塊的高度為500 μm，后座滑塊的最小線寬為29.8 μm、最大深寬比為17∶1。

由于制作的器件高度達(dá)到500 μm以上，故采用多層UV-LIGA工藝進(jìn)行制作。此外，因組成慣性微開關(guān)的5個(gè)器件均采用相同的工藝方法制作，因此本文僅以基板為例詳述，另外4個(gè)器件的制造工藝流程可參照基板進(jìn)行。

1.1基板制作工藝

由于基板高度為600 μm，故需采用6次光刻、6次電鑄完成整個(gè)器件的制作。具體流程見圖1。

圖1　多層UV-LIGA工藝制造基板的流程

第一層制作工藝：基板第一層高度為50 μm，需經(jīng)過光刻和電鑄兩步完成微結(jié)構(gòu)的制作。

（1）光刻。首先，在完成預(yù)處理的鋼基底上旋涂SU-8 2075光刻膠，并放在水平面上靜置30 min自平整，以減弱邊珠效應(yīng)；然后，將自平整好的SU-8膠置于85℃條件下前烘2 h；冷涼后，用SUSS MA6型曝光機(jī)對(duì)SU-8膠曝光，曝光劑量為11 mW/cm2、30 s；再將SU-8膠放在85℃的熱板上后烘3 min，將后烘完成的膠膜放入顯影液中顯影。顯影后，可獲得掩蔽層圖形。

（2）微電鑄。電鑄液的配方如下：Ni（NH2SO3）2· 4H2O（550 g/L）、NiCl2（10 g/L）、H3BO3（35 g/L）、潤濕劑（0.1～0.15 g/L）。電鑄液的pH值為3.7～4.2，電鑄溫度為50℃。將電流密度設(shè)為0.3 A/dm2，持續(xù)1 h；再將電流密度調(diào)節(jié)為1 A/dm2，持續(xù)5 h，可得到高度為50 μm的第一層金屬微結(jié)構(gòu)。

第二層至第六層制作工藝：基板第二層至第六層的制作高度均為110 μm。首先，在前一層所制微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過SU-8光刻工藝得到本層掩蔽層圖形；然后，通過微電鑄工藝獲得本層金屬微結(jié)構(gòu)。以此類推，通過6次光刻和6次電鑄完成整個(gè)器件的制作。

去膠：將完成6次電鑄的微結(jié)構(gòu)器件放入煮沸的無機(jī)酸中，去除光刻膠。

1.2后座滑塊制作工藝

后座滑塊的總高度為500 μm，共需通過6次光刻、6次電鑄完成整個(gè)器件的制作。第一層高度為50 μm，第二層至第六層高度均為90 μm。同時(shí)，后座滑塊、隔爆板和轉(zhuǎn)銷共用一塊掩膜板，3個(gè)部件的制作工藝相同。

1.3彈簧制作工藝

彈簧的總高度為50 μm，采用1次光刻、1次電鑄即可完成整個(gè)器件的制作。

1.4微裝配

微器件的拾取、定位、組裝均在微操作工作臺(tái)上完成。裝配時(shí)，按相互配合關(guān)系確定各部件裝配的先后順序?yàn)椋汉笞瑝K、彈簧、轉(zhuǎn)銷、隔爆板。制作得到的慣性開關(guān)局部SEM照片見圖2。

圖2　制作完成的慣性微開關(guān)

2　結(jié)果分析與討論

2.1膠層內(nèi)應(yīng)力

在電沉積過程中，受析氫和晶格錯(cuò)配等因素的影響，鑄層內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力［4］。本電鑄條件下沉積得到的應(yīng)力為壓應(yīng)力，鑄層在壓應(yīng)力作用下膨脹并擠壓膠層，增大了膠層的內(nèi)應(yīng)力，從而會(huì)降低膠層和基底的結(jié)合力。如果膠層內(nèi)應(yīng)力過大，使膠層和基底的結(jié)合力低于臨界值，膠層就會(huì)從基底脫落，導(dǎo)致制作失敗。

由于SU-8膠和金屬基底的結(jié)合力差，膠層在應(yīng)力作用下易從基底脫落。且組成慣性開關(guān)部件的整體尺寸大，其中基板尺寸達(dá)到14 mm×11 mm，與小尺寸的微器件相比，在相同的沉積應(yīng)力作用下，鑄層變形量大，鑄層對(duì)膠層的擠壓作用強(qiáng)，所以膠層內(nèi)應(yīng)力問題是慣性開關(guān)制作的瓶頸問題。

降低膠層內(nèi)應(yīng)力可通過降低鑄層內(nèi)應(yīng)力的方式來解決。現(xiàn)有的降低鑄層內(nèi)應(yīng)力的方法有：調(diào)整電鑄液組分（氯離子、硼酸含量等）［5-6］、調(diào)整電鑄環(huán)境參數(shù)（pH、溫度等）［7］和超聲電鑄等。然而，對(duì)電鑄液組分和電鑄環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并不能完全消除鑄層內(nèi)應(yīng)力。這是因?yàn)殡婅T需長時(shí)間完成，電鑄液中各物質(zhì)的含量會(huì)隨著電鑄過程的進(jìn)行而改變，如pH值上升、硼酸結(jié)晶析出、水蒸氣揮發(fā)等，因此，應(yīng)力不可能一直維持在最低水平。由于制作的微器件整體尺寸大，因鑄層擠壓產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力仍會(huì)導(dǎo)致膠層從基底脫落。此外，長時(shí)間超聲電鑄會(huì)破壞膠層和基底的結(jié)合情況，導(dǎo)致膠層從基底脫落，所以超聲電鑄也不適用于膠層與基底結(jié)合力差的環(huán)境中。

為有效解決膠層從基底脫落的問題，本文采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，通過減小鑄層面積來降低膠膜的內(nèi)應(yīng)力。該方法操作簡單、成本低，不需額外的設(shè)備。在慣性微開關(guān)的5個(gè)部件中，基板的電鑄面積最大、高度最高，故基板膠層的內(nèi)應(yīng)力問題最突出，也是器件制作的核心問題。在制作基板時(shí)采用2種結(jié)構(gòu)方案來降低膠層內(nèi)應(yīng)力。如圖3所示，結(jié)構(gòu)I的面積為81.2 mm2，結(jié)構(gòu)Ⅱ的面積為52.8 mm2，比結(jié)構(gòu)I減少了35%。

圖3　基板的2種制作結(jié)構(gòu)

為了研究不同電鑄面積對(duì)膠層內(nèi)應(yīng)力的影響，在相同的電鑄實(shí)驗(yàn)條件下制作結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)Ⅱ。圖4是結(jié)構(gòu)I不同位置處的膠層從基底脫落的情況。從其水漬狀污跡顯示，SU-8膠和基底之間的空間已被電鑄液填充，SU-8膠和基底已分離。圖5是結(jié)構(gòu)Ⅱ不同位置處的膠層從基底脫落的情況。與結(jié)構(gòu)I相比，結(jié)構(gòu)Ⅱ中的膠層從基底脫落的情況已得到明顯改善，膠層的應(yīng)力得到了有效降低。因此，通過減小基板電鑄面積可有效降低膠層內(nèi)應(yīng)力。

圖4　電鑄后結(jié)構(gòu)I不同位置處的膠層從基底脫落的情況

圖5　電鑄后結(jié)構(gòu)Ⅱ不同位置處的膠層從基底脫落的情況

2.2層間結(jié)合力

在高深寬比金屬微結(jié)構(gòu)的制作方法中，與LIGA技術(shù)［8］和微細(xì)電火花線切割技術(shù)［9］相比，多層UV-LIGA技術(shù)同時(shí)具備成本低和精度高的優(yōu)點(diǎn)。因此，本慣性微開關(guān)使用多層UV-LIGA工藝制作。

多層UV-LIGA工藝是采用鑄層一層一層疊加的方式來獲得高深寬比的微結(jié)構(gòu)。但在制作過程中，如果層與層之間的結(jié)合力差，會(huì)使微結(jié)構(gòu)發(fā)生分層而導(dǎo)致器件制作失敗。圖6是去膠后發(fā)生分層的基板。在本工藝過程中，由于所制部件的最高深寬比達(dá)到17∶1，除彈簧外每個(gè)部件均需制作6層以滿足設(shè)計(jì)高度的要求。制作層數(shù)的增加，增大了器件分層的風(fēng)險(xiǎn)。為了防止器件分層、提高制作成功率，本文采用等離子去膠、低電流密度預(yù)鑄的方法以增強(qiáng)層間結(jié)合力。

圖6　去膠后鑄層的分層情況

（1）等離子去膠

顯影后，高深寬比微結(jié)構(gòu)的狹槽內(nèi)會(huì)有SU-8膠殘留，它會(huì)阻礙鎳離子的沉積，降低鑄層與鑄層之間的結(jié)合力。為了提高界面間的結(jié)合力，在工藝過程中用等離子去膠機(jī)（DQ-500）處理金屬表面。在等離子的轟擊下，殘留的SU-8膠變成H2O和CO2等小分子，從金屬表面脫離。但等離子處理會(huì)升高鑄層和膠層的溫度，增大內(nèi)應(yīng)力。因此，綜合考慮后，處理時(shí)間被確定為15 min，功率為45 W。

（2）低電流密度預(yù)鑄［7，10］

電沉積時(shí)，鑄層的界面結(jié)合力具有隨著電流密度減小而增大的趨勢。這是由電流密度和過電位的關(guān)系及陰極表面局部放電現(xiàn)象所決定的。

電流密度i和過電勢ηk滿足如下關(guān)系：

式中：A、B為常數(shù)，即電流密度和過電勢為正相關(guān)。

由式（1）可知，電鑄時(shí)減小電流密度會(huì)降低陰極過電勢，導(dǎo)致陰極極化度降低，金屬離子在陰極表面形成吸附原子的速率減小。根據(jù)局部放電理論可知，此時(shí)鎳離子的沉積過程主要受吸附原子在陰極表面擴(kuò)散速率的影響。由于吸附原子的成核速率較低，吸附原子有足夠的時(shí)間充分?jǐn)U散到低能量點(diǎn)進(jìn)行沉積，這使得界面處系統(tǒng)的自由能降低，系統(tǒng)穩(wěn)定程度提高。最終，電流密度減小，使界面的結(jié)合力得到提高。

采用劃痕法測量不同電流密度下電沉積所獲得鑄層的粘附能，并用粘附能定量地表示鑄層結(jié)合力的大小。測量結(jié)果見表1，每組數(shù)據(jù)均測量3次取平均值。可見，粘附能隨著電流密度的增大而減小，電流密度為0.2 A/dm2時(shí)的鑄層粘附能比電流密度為1.0 A/dm2時(shí)提高了71%。因此，本文采用低電流密度預(yù)鑄方法來提高層間的結(jié)合力。在電鑄開始階段使用0.3 A/dm2預(yù)鑄1 h，然后將電流密度調(diào)整至1.0 A/dm2，以增加電沉積效率。

表1　劃痕法測量鑄層粘附能的結(jié)果

采用上述措施后，鑄層的層間結(jié)合力得到了提高，分層的問題得以解決，制作成功率達(dá)到94.4%。

2.3SU-8膠的去除

在制作慣性微開關(guān)的過程中，當(dāng)SU-8膠后烘之后形成致密的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使SU-8膠膜很難去除。沒有交聯(lián)充分的SU-8膠可用去膠劑Remover PG去除，但不能去除交聯(lián)充分的SU-8膠或高深寬比狹縫、孔洞內(nèi)的SU-8膠?？紤]到鎳材料對(duì)強(qiáng)酸的耐腐蝕性能較好，本文用煮沸的無機(jī)酸去除SU-8膠，去膠后的基板見圖7?？梢?，該方法能干凈地去除微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的SU-8膠，從而獲得輪廓清晰的微結(jié)構(gòu)。

圖7　去除SU-8膠后的基板SEM圖（40×）

但經(jīng)無機(jī)酸腐蝕后，鑄層表面變得粗糙，微結(jié)構(gòu)的尺寸精度被降低。因此，在去膠完成后應(yīng)將微結(jié)構(gòu)立即從煮沸的無機(jī)酸中取出，減少無機(jī)酸對(duì)微結(jié)構(gòu)的長時(shí)間腐蝕。去膠后的慣性微開關(guān)部分關(guān)鍵尺寸誤差見表2，結(jié)構(gòu)的尺寸精度滿足使用要求。

表2　慣性微開關(guān)的制造誤差　μm

3　結(jié)論

本文根據(jù)慣性微開關(guān)在小口徑武器彈藥的保險(xiǎn)和解除保險(xiǎn)裝置中的使用需求，提出了采用多層UV-LIGA工藝在金屬基底上制作金屬慣性微開關(guān)的新方法，解決了制造過程中膠層內(nèi)應(yīng)力大、鑄層層間結(jié)合力低等問題，成功制作出跨尺度、高深寬比的慣性微開關(guān)，其尺寸為14 mm×11 mm×0.6 mm，最小線寬為29.8 μm，最大深寬比為17∶1。該工藝方法解決了目前慣性微開關(guān)制作時(shí)基底易碎、需濺射導(dǎo)電種子層的問題，突破了整體尺寸小、深寬比低的局限，為在金屬基底上制作跨尺度、高深寬比的微器件提供了一種可行的參考方案。

［1］蔡豪剛，楊卓青，丁桂甫，等.基于非硅襯底的微機(jī)電系統(tǒng)慣性開關(guān)的研制 ［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45（3）：156-161.

［2］朱斌，楊卓青，陳文國，等.一種新型三維多方向敏感的非硅微機(jī)械慣性開關(guān) ［J］.振動(dòng)與沖擊，2013，32（5）：104-107.

［3］GERSON Y，SCHREIBER D，GRAU H，et al.Meso scale MEMS inertial switch fabricated using an electroplated metal-on-insulator process［J］.Journal of Micromechanics and Microengineering，2014，24（2）：25008-25015.

［4］譚志成.微電鑄鑄層內(nèi)應(yīng)力的研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2014.

［5］TSURU Y，NOMURA M，F(xiàn)OULKES F R.Effects of boric acid on hydrogen evolution and internal stress in films deposited from a nickel sulfamate bath［J］.Journal of Applied Electrochemistry，2002，32（6）：629-634.

［6］錢建剛，李彭瑞，李海婷.溶液組分對(duì)電鑄鎳組織和力學(xué)性能的影響［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2014，34（2）：11-16.

［7］PARK D S，SINGH V，YOU B H，et al.Control of internal stress for high quality nickel large area mold inserts［C］//ASME2009InternationalMechanicalEngineering Congress and Exposition.Lake Buena Vista，Orlando，2009：263-269.

［8］KERDLAPEE P，WISITSORAAT A，PHOKARATKUL D，et al.Fabrication of electrostatic MEMS microactuator based on X-ray lithography with Pb-based X-ray mask and dry-film-transfer-to-PCB process［J］.Microsystem Technologies，2014，20（1）：127-135.

［9］DU Liqun，WANG Aoan，ZHAO Ming，et al.The fabrication of trans-scale micro-fuze safety device［J］.Key Engineering Materials，2014：609-610，796-800.

［10］DU Liqun，LI Yonghui，LIU Jianfei.Influence of current density on the interfacial bond strength of electroformed layers［J］.Micro and nano letters，2012，7（5）：402-406.

Study on Fabrication Process of Cross-scale Micro Inertial Switch with High Aspect Ratio

Du Liqun1，2，Chen Shengli2，Tao Yousheng2，Luo Lei2，Zhao Ming2，Liu Shuangjie3
（1.Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of the Ministry of Education，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2.Key Laboratory for Micro/Nano Technology and System of Liaoning Province，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；3.School of Equipment Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110016，China）

The micro inertial switch was fabricated on metal substrate by using multi-layer UVLIGA process based on photolithography and micro electroforming.The effect of electroforming area on internal stress of photoresist layers was studied，and the detachment problem of photoresist layers caused by high internal stress was solved.The influence of current density on adhesive force between different electroforming layers was analyzed based on experiments，and the detachment problem of electroforming layers was solved.The photoresist in metal microsturcture with high aspect ratio was removed by boiling inorganic acid，and the problem of SU-8 removal was solved.Eventually，a crossscale micro inertial switch with high aspect ratio was fabricated successfully.The overall size of the inertial switch is 14 mm×11 mm×0.6 mm，the smallest line width is 29.8 μm and the highest aspect ratio is 17∶1.The method proposed does not need to sputter conductive seed layer and breaks the limitation of substrate fragmentation，small size and low aspect ratio of the existing methods.

inertial switch；micro electroforming；UV-LIGA；cross-scale

TG662

A

1009－279X（2016）04－0026-04

2016-04-14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51375077）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2015AA042701）

杜立群，女，1966年生，教授。