面向微機電系統(tǒng)的微細電鑄制造技術(shù)

葛魯波， 鄒 鋒

（浙江工商職業(yè)技術(shù)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(yīng)、自處理和自感知等功能的微機電系統(tǒng)（MEMS），以其體積小、質(zhì)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(shù)領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用空間和美好的應(yīng)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(jié)構(gòu)／器件成型的微細電鑄制造技術(shù)，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(lǐng)域備受青睞，目前已成為主流制造技術(shù)［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(jié)構(gòu)部件。然而，該技術(shù)也存在一定的不足之處，制約其進一步深化應(yīng)用。例如：制造的微結(jié)構(gòu)／器件易存缺陷，致使性能品質(zhì)弱化；高深寬比MEMS微結(jié)構(gòu)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(shù)難題以深度拓展微細電鑄制造技術(shù)的應(yīng)用空間，許多學者從強化電極過程液相傳質(zhì)、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(shù)［3］、超臨界微細電鑄技術(shù)［4］、屏蔽模板隨動式微細電鑄技術(shù)［5］、輔助交變低氣壓-溫度梯度微細電鑄技術(shù)［6］和高壓微細電鑄技術(shù)［7］等一系列新型技術(shù)，并相應(yīng)開展了探索研究。

1 微細電鑄制造技術(shù)

1.1 超聲微細電鑄技術(shù)

超聲微細電鑄技術(shù)的機理為：于電鑄體系內(nèi)（電解液中或陰極內(nèi)）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(yīng)，增強電極過程傳質(zhì)效果，減弱濃差極化，減薄擴散層，以此來改善微結(jié)構(gòu)件的形貌質(zhì)量，提高深鑄充填能力。

明平美等［3］基于該技術(shù)，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(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 超聲環(huán)境下電鑄的微結(jié)構(gòu)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(jié)果顯示：采用超聲微細電鑄技術(shù)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(shù)制備的微型探針

1.2 超臨界微細電鑄技術(shù)

超臨界微細電鑄是一種將電鑄技術(shù)與超臨界特性有機結(jié)合，借助超臨界CO2電沉積法制備MEMS微結(jié)構(gòu)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(shù)［8］。對該技術(shù)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(shù)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(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)／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(shù)

屏蔽模板隨動式微細電鑄是借助模板的屏蔽效應(yīng)，以選擇性和層層疊加的方式實現(xiàn)金屬微結(jié)構(gòu)／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(yīng)的彰顯，電場僅存于模板鏤空圖案對應(yīng)的陰極區(qū)域內(nèi)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)器件。已有文獻報道［9］：基于該技術(shù)，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(qū)動器梳齒，形貌如圖4所示。由圖4可知：所得微結(jié)構(gòu)形貌良好，廓形清晰完整，側(cè)壁較陡直。

圖4 金屬微結(jié)構(gòu)形貌

1.4 輔助交變低氣壓-溫度梯度微細電鑄技術(shù)

與上述技術(shù)的依托載體不同，輔助交變低氣壓-溫度梯度微細電鑄技術(shù)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(yīng)，驅(qū)動上下液層間的物質(zhì)交換，加速擴散傳質(zhì)進程；同時，周期性地保持電鑄空間內(nèi)處于低壓狀態(tài)，借助負壓抽吸效應(yīng)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(zhì)效率。鑒于所具備的強化自然對流傳質(zhì)和去除氣泡降低缺陷形成幾率兩大獨特優(yōu)勢，該技術(shù)為優(yōu)異形貌MEMS微結(jié)構(gòu)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(shù)，在特定工藝條件下制得近無缺陷、形貌良好、側(cè)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(jié)構(gòu)的形貌質(zhì)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(shù)

高壓微細電鑄技術(shù)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(jié)構(gòu)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(yīng)，加速、提高微空間內(nèi)的物質(zhì)交換進程和效率，驅(qū)動反應(yīng)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(guān)鍵前提和有利條件。

Tsai等［7］以高壓微細電鑄技術(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)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(shù)，現(xiàn)已在低深寬比微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及零部件制造領(lǐng)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(jié)構(gòu)／器件的制造，總體而言效果不盡理想，尚存部分技術(shù)難題亟待攻克。探索深微尺度電鑄空間內(nèi)液相傳質(zhì)的高效促進措施，以推動微細電鑄制造技術(shù)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(shù)關(guān)鍵分析［J］.微納電子技術(shù)，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(yīng)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(shù)的基礎(chǔ)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.