微型弹簧微纳米加工技术研究(2)
发展起来的多学科交叉融合高新技术，集微型结构的传感器、执行器、信号处理
和控制电路于一体并可以同时处理和获取信息的微型智能器件或系统。MEMS 的
出现将对工业工程产生了非常重要的影响，同时也为飞行器、卫星的小型化、微
型化奠定了基础。随着微型化技术已经越来越趋于成熟，而当今微型化已经进入
了全新的纳米时代，纳米时代的到来为人来开启了新的微观世界，而纳米技术的
发展的前提则是微纳米尺度的功能结构和器件。然而材料结构在 100nm以下就会
遇到与宏观世界不同的加工问题，比如尺寸效应，表面效应等等。所以传统的加
工方式已经不能满足微型加工的要求，所以微纳米加工技术的诞生就显得及其重
要。
1.1 微纳米加工技术简介
微纳米技术是研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用
的一种技术。先进的纳米加工技术是实现功能结构材料纳米化的关键。在过去的
很长一段时间内，微纳米加工技术已经对人们的生活产生了各种各样的影响，比
如身材小巧功能强大的智能手机就是晶体管微型化最好的体现， 因此纳米加工技
术是现代高科技产业的一个极其重要的部分。微纳米加工技术的分类主要有三种
类型①平面工艺；平面工艺在加工过程中并不和坯料产生直接接触，所以加工构
件的尺寸大小不受加工工具的影响。由于成型的只能是二文或三文的结构，所以
最后成品是整个系统而不是部件。②探针工艺；作为传统机械加工方法的一种延
伸，光束可以直接在基底材料的表面形成纳米级图形。③模型工艺；是用纳米级
的模具来制作需要的部件。主要包括纳米压印技术，塑料模压技术和模铸技术。
1.2 微弹簧制备技术和主要材料
微弹簧作为惯性器件的重要部分，如微型执行器、微型加速度传感器，因此
在 MEMS 系统中发挥着重要作用。微弹簧在也起着至关重要的作用，引信中的弹
簧是保证发射安全性的重要零件，MEMS 弹簧相较于传统引信中的弹簧元件更为
安全。目前用于制作平面微型弹簧的材料主要分成两大类，硅质和非硅质。硅质
微弹簧具有良好的机械性能和电性能，但在诸如冲击环境等需要弹性力较大的情
况容易发生破碎。相比之下因为金属具有更好的延展性、机械强度及抗疲劳性能等，因此在较大的拉力下金属微弹簧可以产生更好的预期效果。目前微型平面弹
簧是采用LIGA技术生产，采用这种方法制作微弹簧，有较大高宽比、取材广泛、
具有大规模生产的潜力。但是微电铸件的机械性能还不能和常规金属零件相比，
实际力学特性与理想状态差距较大。通过前期开展的平面微型弹簧挤压技术的研
究，发现成形所需的载荷大，对模具以及挤压设备的要求很高，制备高质量的微
弹簧难度较大。
在这种背景下，针对 MEMS 系统用平面微弹簧研究现状，本文拟采用大塑性
变形强化坯料利用精密蚀刻（光刻+金属蚀刻）的方法制备出高强度的平面微型
弹簧。
由于材料本征尺寸效应，材料的塑性指标随着试样尺寸的减小而降低。为了
满足日益苛刻的使用要求，必须要保证微弹簧的使用性能。通过大塑性变形，能
够细化材料的晶粒尺寸，晶粒的细化能够同时提高材料的塑性、强度以及疲劳性
能。因此，通过累积叠轧、ECAP 等大塑性变形处理的坯料可以制备出高使用性
能的微弹簧。晶粒的细化对材料的耐腐蚀性能有很大的影响，原有的金属蚀刻工
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