平面微型弹簧电铸工艺研究(2)
2.2.4 实验方案 15
2.2.5 实验分析方法 .. 16
3 微电铸工艺对平面微弹簧质量的影响 . 19
3.1 平面微弹簧的微观组织与相组成 19
3.2 微电铸工艺对尺寸精度的影响 .. 22
3.2.1 线宽精度 22
3.2.2 厚度精度 25
3.3 微电铸工艺对疲劳性能的影响 .. 27
3.4 平面微弹簧工艺优化 . 30
3.4.1 基于尺寸精度的工艺优化 . 30
3.4.2 基于疲劳寿命的工艺优化 . 31
3.4.3 综合尺寸精度和疲劳寿命的工艺优化 32
3.5 本章小结 .. 35
结 论 36
致 谢 37
参 考 文 献 38
附录 A 科研成果 40
1 引言
微机电系统技术作为新兴的一门技术，具有智能化、能耗低、微型化、集成化和批量生
产、成本低等显著优点，在航天、航空、汽车、电信等领域得到了非常广泛的应用[1]。
微机械弹簧在微机电系统中的担任着重大作用，可以用作微型执行器、传感器和其他一
些微惯性器件中的重要组成部分。
1.1 平面弹簧的应用
弹簧的种类多样并且应用遍及整个工业领域，在很多机构中发挥着关键作用。各种不同
的弹簧，比如阀门弹簧、密封压簧、定时簧等，在发动机以及其他领域都用广泛应用[2]。
在众多传统引信安全系统和 MEMS 安全系统中都可以看到弹簧的应用实例。圆柱簧, 圆
锥簧,扭簧, 四爪簧等空间三文形状, 如图1.1 所示，在传统引信中弹簧的结构形态有出现
过，其中应用较广的为圆柱弹簧和扭簧。 而发条用来能量存储。发条的作用是储存能量，游丝的作用是要来保证计时的精准性 。
1.2 平面微弹簧制备方法
1.2.1 平面微弹簧UV-LIGA 工艺
现在，LIGA 技术已经成功制得多种器件，比如已经被报道的气动驱动微控制器[7]
、微阀门[8]。
在全光网中，应用的 MEMS 可变光衰减器所用的微弹簧是用硅来制作的[9]
。但 SU-8 胶或
硅本体存在较大缺陷， 比如， 在弹性力较大时，二者都没有类似于金属那样良好的力学性能。
金属在使用中，可以提供较好的抗疲劳性能与应力应变。因此, 通过制作金属材料的器件可
以达到要求。
在炮弹或其他爆炸物中应用的引信安全系统中，用形状记忆效应理论制作的线形微驱动
器[10]
，它是一种小型平面惯性作用器件 [11]
。因为SU-8 胶有着高深宽比的特点，所以用此胶做
材料电铸后的器件具有很好的有点， 用此种方法制作的一种电磁力驱动的微继电器[12]
,但是成
形的微弹簧厚度尺寸相对较小,弹性作用力的范围也是有限的。
采用UV-LIGA 技术加工制备金属微弹簧,包括以下步骤[13]
：
(1)衬底制备: 可以通过溅射的方法制备光滑的衬底，来增加光刻胶和衬底的粘附力。
(2)涂胶: 常用逐步加速法涂胶。开始从 100 rpm/s 加速至 500rpm/s,保持 5s,然后以
100rpm/s 的速度升至900rpm/s,保持30s。
(3)前烘: 用热板对基片进行加热升温。加热过程要求逐步升温，可以很好地控制胶中溶
剂的挥发速度, 加强SU-8胶与衬底的粘附力。
(4)曝光:用光刻机曝光 200s。
(5)后烘:同样采用逐渐升温的方法。先在 65℃条件下烘胶 12min,再在 95℃条件下烘胶
20min,在降温过程中需要注意的是，避免骤冷现象。可以减小光刻胶应力,便于显影。
(6)显影:采用专用的 SU-8 显影液,可以在显影过程中进行兆声处理，可产生较好的显影