大高宽比阶梯型铜微柱阵列的制作

基于THB–151N光刻胶的微电铸工艺制作了一种阶梯型铜微柱阵列。针对THB–151N光刻胶显影过程中20μm微盲孔显影困难和底部留膜的问题,提出了一种基于浸没式双向兆声波辅助的显影方法。仿真研究了兆声功率密度和微盲孔深宽比对显影液传质过程的影响。优选了兆声功率密度和微盲孔深宽比,并开展了兆声辅助显影的试验研究。同时,针对THB–151N胶膜因曝光剂量选择不当导致微盲孔侧壁垂直度差的问题,通过光刻试验分析了曝光剂量对微盲孔侧壁垂直度的影响,拟合出曝光剂量与胶膜厚度的经验方程。在上述工艺方法和试验研究的基础上,制作出高度300μm、整体高宽比达15∶1、最小边长20μm、4×6的阶梯型铜微柱阵列。

装配式惯性开关的兆声辅助微电铸均匀性研究

在装配式惯性开关的电铸过程中,电场的边缘效应干扰了电力线在阴阳极间的均匀分布,导致铸层厚度均匀性问题突显,使得制作周期延长。为了缩短装配式惯性开关的制作周期,将兆声波引入到微电铸过程,以装配式惯性开关中电铸均匀性最差的滑块结构为例,开展改善微电铸层均匀性的研究工作。首先,利用COMSOL仿真分析软件对滑块结构有、无兆声波辅助条件下的微电铸加工过程中的电流密度分布和铸层厚度分布进行仿真。仿真结果表明,相对于无兆声波辅助微电铸加工,兆声波辅助微电铸加工可以有效改善铸层厚度均匀性。兆声波功率密度越大,铸层厚度均匀性越好。在数值模拟的基础上,对兆声波辅助电铸过程展开试验研究。试验结果表明,相对于无兆声波辅助微电铸加工,双向加载2.4 W/cm^(2)的兆声波辅助微电铸加工的铸层厚度均匀性提高了51.78%,试验与仿真结果趋势一致。基于仿真和试验结果,将双向加载2.4 W/cm^(2)的兆声波引入微电铸工艺,制作了总体尺寸20 mm×20 mm、总高度900μm,符合设计要求的装配式惯性开关。与无兆声波辅助微电铸制作完成的装配式惯性开关相比,制作时间缩短了25%。

微惯性开关制作过程中界面结合强度研究

在利用微电铸工艺制作惯性开关的过程中,经常会出现由于界面结合强度低而引起的铸层翘起问题。微电铸层与基板的界面结合强度低会降低微开关的制作成品率、延长制作周期、增加制作成本。针对这一问题,本文从界面钝化膜的角度,采用了“电解活化去除钝化膜”和“引入Cu过渡层”的方法。为探究钝化膜对界面结合强度的影响,通过Materials Studio软件对不同钝化膜去除率模型的界面结合能进行仿真计算,计算结果表明钝化膜去除率越高越有利于界面结合强度的提高,在完全去除钝化膜后界面结合强度提高了197%;为探究过渡金属对界面结合强度的影响,分别以Cu,Cr,Ti作为过渡层,与不锈钢基板和镍铸层建立结合层体系,计算体系的结合能,计算结果表明Cu与基板、Cu与铸层的结合能最高,与未引入过渡金属相比,引入Cu后界面结合强度提高了81%。在仿真研究结果的基础上,开展了电解活化实验,通过电解活化法去除了基板表面的钝化膜,实验结果表明:电解活化区域铸层的界面结合强度明显高于未活化区域铸层的界面结合强度;同时开展了铜过渡层实验,对比了有无Cu过渡层的界面结合强度,实验结果表明:引入Cu后,铸层的界面结合强度明显提高。在上述仿真和实验结果的基础上,制作出尺寸为23 mm×20 mm、总高度为900μm的微惯性开关。

基于几何向量法的机器人建模

为提高多自由度机器人建模的准确性,提出一种基于DH法则的改进建模方法——几何向量法,在保留扭角、连杆间距和转角等DH参数的前提下,将杆长重新定义为一个向量,以避免传统DH法容易出现的对杆长的误判。分别结合一个二轴和六轴的多自由度机械手,应用几何向量法进行建模仿真,将仿真结果与经典的几何解结果进行对比,对比结果表明该建模方法具有足够的精度和准确性,验证了几何向量法在多自由度机器人建模中的有效性。

有效减小大细长比微结构电铸层残余应力的兆声辅助微电铸方法

在利用微电铸工艺制作微机电系统(MEMS)开关的过程中,针对离心保险锁结构因电铸层残余应力大而出现翘曲、扭转等变形问题,采用兆声辅助微电铸方法减小电铸层残余应力。为探究兆声波对电铸层残余应力的影响,基于等效参考温度(ERT)法,建立兆声作用下离心保险锁微结构电铸层残余应力的仿真模型以优选兆声辅助微电铸的工艺参数——兆声功率密度。仿真结果表明,随着兆声功率密度的增大,离心保险锁的残余应力呈现先减小后增大的趋势,当兆声功率密度为2.54 W/cm^(2)时,离心保险锁的最大残余应力为52.58 MPa,相较于无兆声作用时减小了85.4%。在数值模拟的基础上进行微电铸实验验证研究。实验结果表明:兆声功率密度为2.54 W/cm^(2)时,大细长比微结构的变形量减小了88.6%,实验结果与仿真结果一致。在上述仿真结果和实验研究的基础上,制作出了高800μm、细长比高达1∶70的离心保险锁结构,并完成MEMS开关的制作与装配。