专利名称：高深宽比微细结构电铸方法
技术领域：
本发明的高深宽比微细结构电铸方法，属于微细加工领域。
背景技术：
微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是二十世纪最重要的科学技术进展之一，也是当今科学研究的热点。微细制造技术是微机电系统的基础和核心。具有高深宽比(或称高宽比)的微细结构(High-Aspect-Ratio Microstructures，HARMS)广泛应用于微机电系统中，如喷墨打印头喷嘴、惯性测量部件、磁性微系统等。
LIGA是制造高深宽比金属微结构最常用的方法。LIGA技术通过X射线曝光涂覆在基底上的光敏材料形成电铸模具，尔后用电铸进行填充以获得金属微结构。光敏材料形成的活动膜板与基底表面(即阴极表面)通过键合粘结在一起，在电铸过程中不能移动。LIGA技术中高深宽比微结构的电铸由于受传质的影响而变得非常困难，易出现厚度不均、组织疏松、针孔、表面粗糙等缺陷。而且LIGA技术要使用价格极其昂贵和稀缺的同步辐射光源，成本高，加工周期长；还存在去胶难的问题。
发明名称为三维微细结构电铸方法和装置，申请号为200610039406.6，
公开日为2006.09.06的发明专利申请，公开了一种，利用阴极相对屏蔽阳极膜板移动来制造三维金属微结构的方法，是现有金属微结构加工方法的有力补充。但是该技术也有一些不足之处，如电沉积过程发生在微小的封闭空腔中，传质困难，导致效率低；电沉积时阴阳间距离小，沉积过程易受铸件表面质量的影响，如表面毛刺就可引起短路，给整个过程带来困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种短周期、高效率、能制造出高质量、任意深宽比且成本低廉的高深宽比金属微结构电铸成形方法。
一种高深宽比微细结构电铸方法，其特征在于包括以下步骤(1)、根据零件的形状和尺寸设计制作屏蔽电场用的具有特定镂空图案的活动膜板；(2)、在电铸加工过程中，活动膜板置于阴阳极之间，使活动膜板与阴极根据沉积物的高度作相对间断移动，即(a)、电铸开始时，将活动膜板与阴极贴合，用电源供电，电沉积发生，此时称为第一次电沉积；(b)、电铸一定时间后，断开电源，活动膜板在电铸结构的高度生长方向移动一定距离，使其距阴极为δi，δi为第i次电沉积时活动膜板与阴极表面距离，其中i＝1，2，3，…，k，…，k为自然数；(c)、再用电源供电电沉积发生，称第i次电沉积其中i＝2，3，…，k，…，k为自然数；且活动膜板与阴极作相对间断移动时，受以下关系的约束i＝1H＝0，δ1＝0，h1＜＝t；
i＝kH＝h1+h2+…+hk-1，δk-1＜δk＜＝H，hk＜＝δk+t-H，i＝2，3，…，k，…，k为自然数；其中t为活动膜板厚度，hi为第i次电沉积时沉积的金属层厚度，H为第i次电沉积前已铸微结构的高度；(d)、重复上述(b)和(c)步骤，直到达到微结构的高度要求。
本发明的有益效果是1、活动膜板可多次重复使用，降低了成本，提高了效率，利于工业化生产。
2、将整个高深宽比的微结构分割成多段加以电铸，使微细电铸传质条件大为改善，可以减少电铸缺陷，提高电铸质量和电铸速度。
3、阴阳极间距离宏观可调，使电场更加均匀，电铸结构高度一致性好，表面质量更佳。
通过在微细电铸过程中活动膜板随金属沉积层的增加做相应的微量移动，从而用有限厚度的屏蔽层制造出深宽比不受限制(原理上)的金属微结构。
图1是光刻法制造活动膜板示意图，其中图(a)为甩胶，图(b)为曝光及显影后得到的微图形结构，图(c)为刻蚀后得到的活动模板。
图2高深宽比微细结构电铸技术工艺路线示意图，其中图(a)为贴合示意图，图(b)为电铸，图(c)为活动膜板移动示意图，图
(d)为电铸，图(e)为微结构成品。
图1中标号名称1、光敏材料，2、金属衬底，3、活动膜板。
图2中标号名称3、活动膜板，4、阴极，5、阳极，δ、电铸微结构；H第i次电沉积前已铸微结构的高度；δi第i次电沉积时活动膜板与阴极表面距离。
具体实施例方式
下面结合附图，说明的“高深宽比微细结构电铸方法”的工作原理及具体加工过程活动膜板，可选用以下四种方案之一制作(1)、利用光刻工艺制造活动膜板的过程如图1所示。在金属衬底(2)上涂覆光敏材料(1)如图1(a)，经过光刻，形成了图1(b)所示的图形，接着对衬底进行刻蚀，可以采用电化学刻蚀，也可以采用化学刻蚀，将衬底全部腐蚀掉，留下的具有特定镂空图案的光敏材料层就是活动膜板，如图1(c)所示。
(2)、利用体硅或DRIE工艺在硅片上刻蚀出所需图案，形成活动膜板。
(3)、利用机械加工(如微钻削加工、微铣削加工)，在绝缘薄片上(如有机玻璃、环氧树脂、塑料等)加工出所需图案，形成活动膜板。
(4)、利用激光微细加工技术在绝缘薄片上(如有机玻璃、环氧树脂、塑料等)加工出所需图案，形成活动膜板。
如图2(a)所示，电铸开始时，将活动膜板3与阴极4贴合；
如图2(b)所示，接通电源阴阳极间的电源，电沉积发生，此时称为第一次电沉积；如图2(c)所示，电铸一定时间后，断开电源，活动膜板在电铸结构的高度生长方向移动一定距离，使其距阴极为δi(i＝1，2，3，…，k，…，k为自然数)；如图2(d)所示，再用电源供电电沉积发生，称第i次电沉积(i＝2，3，…，k，…，k为自然数)；设活动膜板厚度为t；第i次电沉积时活动膜板与阴极表面距离为δi；第i次电沉积时沉积的金属层厚度为hi，hi可由法拉第定律计算出来，也可通过在线测量确定；第i次电沉积前已铸微结构的高度为H。则t，δi，hi，H满足以下关系i＝1H＝0，δ1＝0，h1＜＝t；i＝kH＝h1+h2+…+hk-1，δk-1＜δk＜＝H，hk＜＝δk+t-H，(i＝2，3，…，k，…，k为自然数)；重复图2(c)(d)步骤，根据电铸产物6的高度H的增加，不断增大活动膜板与阴极的间隙δ，经过一定时间达到微结构的高度要求，将活动膜板3与阴极4分离，就可得到即可得到所需要的满足性能要求的电铸微金属零件6，如图2(e)所示。
在整个电铸过程中，通过温控加热装置，保持电铸液温度恒定。
权利要求
1.一种高深宽比微细结构电铸方法，其特征在于包括以下步骤(1)、根据零件的形状和尺寸设计制作屏蔽电场用的具有特定镂空图案的活动膜板；(2)、在电铸加工过程中，活动膜板置于阴阳极之间，使活动膜板与阴极根据沉积物的高度作相对间断移动，即(a)、电铸开始时，将活动膜板与阴极贴合，用电源供电，电沉积发生，此时称为第一次电沉积；(b)、电铸一定时间后，断开电源，活动膜板在电铸结构的高度生长方向移动一定距离，使其距阴极为δi，δi为第i次电沉积时活动膜板与阴极表面距离，其中i＝1，2，3，…，k，…，k为自然数；(c)、再用电源供电电沉积发生，称第i次电沉积其中i＝2，3，…，k，…，k为自然数；且活动膜板与阴极作相对间断移动时，受以下关系的约束i＝1H＝0，δ1＝0，h1＜＝t；i＝kH＝h1+h2+…+hk-1，δk-1＜δk＜＝H，hk＜＝δk+t-H，i＝2，3，…，k，…，k为自然数；其中t为活动膜板厚度，hi为第i次电沉积时沉积的金属层厚度，H为第i次电沉积前已铸微结构的高度；(d)、重复上述(b)和(c)步骤，直到达到微结构的高度要求。
2.根据权利要求1所述的高深宽比微细结构电铸方法，其特征在于实现所述的活动膜板与阴极间的相对移动，是依靠活动膜板在电铸结构高度生长方向的运动实现的。
3.根据权利要求1所述的三维微细结构电铸方法，其特征在于实现所述的活动膜板与阴极间的相对移动，是阴极在电铸结构生长方向的相反方向运动实现的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的高深宽比微细结构电铸方法，其特征在于制作活动膜板可以利用光刻工艺首先根据要求设计掩模，然后将光敏材料涂覆于衬底上，利用光源将掩模板上的图形转移到光敏材料上，然后用电化学或化学蚀刻法将衬底腐蚀掉，形成具有特定镂空图案的活动膜板。
5.根据权利要求1至3任一项所述的高深宽比微细结构电铸方法，其特征在于制作活动膜板可以利用体硅或DRIE工艺在硅片上刻蚀出所需图案，形成活动膜板。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的高深宽比微细结构电铸方法，其特征在于制作活动膜板可以利用机械加工在绝缘薄片上加工出所需图案，形成活动膜板。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的高深宽比微细结构电铸方法，其特征在于制作活动膜板可以利用激光微细加工技术在绝缘薄片上加工出所需图案，形成活动膜板。
全文摘要
一种高深宽比微细结构电铸方法，属于微细加工领域。该方法的特点在于电铸的掩膜板是具有特定镂空图案的独立式活动膜板，该膜板既不依附于阴极也不依附于阳极。在微细电铸过程中，活动膜板根据已电铸的微结构高度相对阴极间断运动，将整个高深宽比的微结构分割成多段加以电铸，使微细电铸传质条件大为改善，有利于提高电铸质量和电铸速度。活动膜板可以多次重复使用，降低了生产成本，利于工业生产。应用本发明可以用高度有限的掩膜加工出无限深宽比(原理上)的微结构，微结构的材料可以是单一金属，也可以是合金。
文档编号C25D1/00GK1958862SQ20061009675
公开日2007年5月9日 申请日期2006年10月13日 优先权日2006年10月13日
发明者朱荻, 曾永彬, 曲宁松 申请人:南京航空航天大学