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模具铸层平整性及多样截面微结构制作方法

作 者: 柯学
导 师: 刘冲
学 校: 大连理工大学
专 业: 机械电子工程
关键词: 微电铸 镍模具 平整性 弯曲变形 电铸瘤 多样化截面
分类号: TG76
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 28次
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内容摘要


微电铸技术是MEMS领域中的一种重要的微加工方法。微电铸技术在制作具有微细结构的金属模具或器件方面具有突出优势,广泛应用于电子信息、生化检测、光学工程和国防工业等领域。然而,目前基于微电铸的金属微模具制作技术仍存在很多亟待解决的问题,本文围绕其中的两个问题展开研究,分别是:(1)铸层弯曲变形和电铸瘤会造成金属模具表面不平整,影响微结构的复制精准性。(2)缺少多样化截面形状微结构金属模具的制作工艺。本文探讨了改善金属镍模具弯曲变形和消除电铸瘤的方法,并且对三种截面形状(三角形、矩形、拱门形)微结构镍模具的制作工艺进行研究。主要研究内容如下:1.设计并搭建微电铸平台,为本文的研究提供了实验条件。对微电铸液组成成分和工艺参数进行了分析优化,使得电铸铸层的质量能满足微结构镍模具的基本使用要求。2.在分析金属模具弯曲变形原因的基础上,讨论了电流参数对模具弯曲变形的影响。将脉冲电铸和直流电铸与不同大小的电流密度进行组合,根据铸层弯曲曲线的高度差和曲率半径来评价铸层弯曲变形程度,从而获得最佳的电流参数组合。3.分析电铸瘤的产生原因,提出了设置阴极屏蔽结构来消除电铸瘤的方法。利用ANSYS有限元分析软件仿真了电流密度在阴极表面的分布情况,找出最优化的屏蔽结构高度。并且通过实际电铸实验对仿真结果加以验证。4.采用优化后的微电铸工艺与体硅工艺相结合,分别制作出三角形、矩形、拱门形截面形状微结构的镍模具。丰富了多样化截面形状微结构金属模具的制作工艺路线。实验结果表明,采用小电流密度脉冲电铸,在测量长度为2cm的条件下,铸层表面的高度差为10μm,可以有效地改善模具铸层弯曲变形。采用设置阴极屏蔽结构的方法,在屏蔽结构高度为2.4cm的条件下,消除了铸层边缘的电铸瘤。制作的多样化截面形状微结构镍模具,表面平整光亮,弯曲变形程度小,可应用于热压或注塑等聚合物微结构复制的工艺中。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
1 绪论  10-22
  1.1 MEMS简介  10-11
  1.2 金属微结构模具的制作方法  11-14
    1.2.1 常用的金属微结构模具加工技术  11-12
    1.2.2 微电铸技术理论  12-14
  1.3 微电铸铸层表面不平整问题的研究现状  14-18
    1.3.1 弯曲变形现象和电铸瘤现象  14-16
    1.3.2 改善模具铸层表面平整性的研究现状  16-18
  1.4 微电铸多样化截面微结构镍模具的研究现状  18-20
  1.5 本文主要工作内容  20-22
2 微电铸技术工艺基础  22-30
  2.1 微电铸平台的设计与搭建  22-25
  2.2 微电铸溶液成分与工艺参数的优化  25-29
    2.2.1 微电铸溶液成分的优化  25-27
    2.2.2 微电铸工艺参数的优化  27-29
  2.3 本章小结  29-30
3 微电铸金属铸层弯曲变形问题的研究  30-43
  3.1 金属铸层弯曲变形的理论研究  30-34
    3.1.1 铸层弯曲变形产生原因  30-32
    3.1.2 电流参数对铸层弯曲变形的影响  32-34
  3.2 金属铸层弯曲变形程度的测量方法  34-35
  3.3 电流参数对铸层弯曲变形影响的实验研究  35-42
    3.3.1 实验过程  35-36
    3.3.2 实验结果与分析  36-42
  3.4 本章小结  42-43
4 消除铸层电铸瘤的阴极屏蔽结构设计  43-54
  4.1 电铸瘤的产生原因  43-45
  4.2 阴极屏蔽结构的仿真设计与实验研究  45-52
    4.2.1 电流密度分布理论模型分析  45-46
    4.2.2 屏蔽结构对电流密度分布影响的仿真分析  46-49
    4.2.3 实验结果与仿真结果比较分析  49-52
  4.3 阴极屏蔽结构的改进设计与实验结果  52-53
  4.4 本章小结  53-54
5 微电铸多样截面微结构镍模具的工艺研究  54-63
  5.1 三角形截面微结构镍模具的制作  54-56
  5.2 矩形截面微结构镍模具的制作  56-58
  5.3 拱门形截面微结构金属模具的制作  58-62
    5.3.1 硅的各向同性湿法刻蚀实验研究  58-60
    5.3.2 制作工艺路线及实验结果  60-62
  5.4 本章小结  62-63
结论  63-64
参考文献  64-67
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  67-69
攻读硕士学位期间获得的荣誉  69-70
致谢  70-71

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 刀具、磨料、磨具、夹具、模具和手工具 > 模具
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