磁场条件下高深宽比微细电铸液相传质机理研究

摘要

微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是当今科学研究的前沿领域之一，具有突出的经济潜力和重要的战略地位。在面向MEMS微结构与零件的诸多微细加工技术中，微细电铸以复制精度高、工艺柔性好、易于加工三维微结构而具有广泛的应用前景。然而，由微细电铸所实施沉积空间的狭小性所导致的液相传质受限问题常使电铸件出现多种沉积缺陷，影响了微细电铸技术的优质发展。尽管国内外学者为此展开了大量的研究，但这一难题仍没有得到很好解决。
　　把微细电铸工艺置于强磁场中以期利用该环境下独特的磁效应（如 MHD效应、磁梯度效应等）解决上述难题，是一种创新思路。我们课题组前期的理论与试验研究已证实：MHD效应液相传质支配下的微细电铸件针孔缺陷少，形貌质量好。但其中所涉及的传质机理尚未得到清晰探明。并在此基础上，如何进一步实现MHD驱动液相传质的最佳化，更需深入研究。为此，本文在深入分析微细电铸传质机理与受限因素的基础上，并基于该电沉积环境下自然对流存在的必然性及其与重力的密切关联性，数值分析与实验观测研究了磁场作用下电沉积微空间内的流速大小、流场特性及其与磁场作用方向、微空间几何特征、自然对流等因素间的内在关联性，探明其传质机理，并进行了工艺试验验证。主要研究内容如下：
　　(1)概述了微细电铸技术存在的问题以及研究现状，分别总结了磁电化学沉积技术和MHD微流体控制技术的研究成果。
　　(2)针对传质受限难题，理论探讨了磁场与电铸时的电场耦合所产生的洛伦兹力对微空间电解液传质的强化作用，并根据MHD微流体控制理论、微流体观测技术以及微细电铸技术，数值分析了微电沉积空间电解液速度分布，且通过设计的微流体观测实验进行了验证。结果表明：电铸开始时，电迁移、扩散与外部流场共同促使微空间电解液开始微弱运动；随后，垂直于带电粒子运动方向的洛伦兹力开始作用使电解液涡流运动，最终形成稳定的磁致对流。当考虑自然对流时，随着电铸过程的进行，传质受限必然导致阴极面附近电解液与本体电解液之间出现密度差，受到竖直向下的重力作用。此时，电解液受到方向不同的两个力，在阴极面附近运动比较紊乱，速度反而小于磁致对流主导下的电解液流速。因此，存在磁致对流且自然对流可忽略时与无磁致对流且自然对流不可忽略时的两种情况下，阴极面附件电解液流速相对较大。
　　(3)在数值模拟与微流场观测的基础上进行了高深宽比微细电铸工艺检验。首先设计了磁微细电铸试验装置，然后根据微细电铸工艺流程开展了电铸试验。结果发现：相比于无磁场且自然对流不可忽略时获得的电铸件，磁场作用下且自然对流可忽略时的电铸件质量较好；而其余条件下的电铸件质量相对较差。

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1 绪论

1.1金属微细加工技术

1.2 微细电铸

1.3磁场条件下电化学沉积技术

1.4 MHD微流体控制技术

1.5本文主要研究内容

2 磁场条件下微细电铸液相传质基础理论

2.1 电极过程

2.2 液相传质

2.3 微细电铸与传质受限

2.4 磁致对流

2.5 MHD微流体控制理论

2.6 磁场条件下电沉积微空间液相传质数值分析

2.7 本章小结

3 磁场条件下高深宽比微细电沉积空间流场观测研究

3.1 引言

3.2 微流场观测与粒子示踪技术

3.3 实验装置

3.4观测实验

3.5 结果与分析

3.6 本章小结

4 磁场条件下高深宽比微细电铸试验研究

4.1 引言

4.2 试验装置

4.3 微细电铸

4.4结果与分析

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

作者简历

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