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形变强化T2紫铜微型平面弹簧精密蚀刻技术研究

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摘要

1 绪论

1.1 MEMS技术概述

1.2 微型平面弹簧技术国内外发展现状

1.2.1 微型平面弹簧简介

1.2.2 微型平面弹簧理论研究现状

1.2.3 微型平面弹簧加工方法

1.3 精密蚀刻技术简介

1.3.1 光刻

1.3.2 金属蚀刻

1.4 课题研究目的、意义和研究内容

1.4.1 研究目的与意义

1.4.2 精密蚀刻技术制备微型平面弹簧的优势

1.4.3 研究内容

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 坯料的选择

2.1.2 光刻胶的选择

2.1.3 掩模的设计与制作

2.1.4 蚀刻液的选择

2.2 实验方案

2.3 精密蚀刻实验

2.3.1 基板制备

2.3.2 光刻过程

2.3.3 蚀刻过程

2.3.4 微弹簧存放

2.4 微型平面弹簧表观质量检测

2.4.1 表面粗糙度检测

2.4.2 表面形貌检测

2.4.3 微弹簧线宽泄

2.5 微观组织观察

2.6 坯料及微型平面弹簧力学性能测试

2.6.1 轧制实验

2.6.2 轧制T2紫铜单向拉伸实验

2.6.3 微型平面弹簧力学性能测试平台

2.6.4 微型平面弹簧弹性系数和疲劳寿命测试

3 T2紫铜室温力学性能研究

3.1 轧制对T2紫铜微观组织影响

3.2 轧制T2紫铜单向拉伸实验结果及分析

3.2.1 轧制T2紫铜单向拉伸实验结果

3.2.2 轧制T2紫铜拉伸屈服强度的尺寸效应

3.2.3 轧制T2紫铜拉伸屈服强度的尺寸效应模型

3.2.4 轧制T2紫铜拉伸屈服强度各向异性

3.2.5 轧制T2紫铜拉伸断口分析

3.3 本章小结

4 T2紫铜微型平面弹簧精密蚀刻成形质量

4.1 工艺参数对微型平面弹簧线宽精度的影响

4.1.1 配方对微型平面弹簧线宽精度的影响

4.1.2 压下量对微型平面弹簧线宽精度的影响

4.1.3 蚀刻温度对微型平面弹簧线宽精度的影响

4.1.4 基板厚度对微型平面弹簧线宽精度的影响

4.1.5 微型平面弹簧最佳线宽精度的制备方案

4.2 工艺参数对蚀刻侧面粗糙度的影响

4.2.1 配方对蚀刻侧面粗糙度的影响

4.2.2 压下量对蚀刻侧面粗糙度的影响

4.2.3 蚀刻温度对蚀刻侧面粗糙度的影响

4.2.4 基板厚度对蚀刻侧面粗糙度的影响

4.2.5 微型平面弹簧蚀刻侧面最小粗糙度的制备方案

4.3 本章小结

5 T2紫铜微型平面弹簧力学性能

5.1 T2紫铜微型平面弹簧的弹性刚度分析

5.1.1 厚度对T2紫铜微型平面弹簧的弹性刚度的影响

5.1.2 轧制压下量对T2紫铜微型平面弹簧的弹性刚度的影响

5.1.3 T2紫铜微型平面弹簧的弹性刚度的各向异性

5.2 T2紫铜微型平面弹簧疲劳性能分析

5.2.1 T2紫铜微型平面弹簧疲劳性能实验结果

5.2.2 配方对微型平面弹簧疲劳性能的影响

5.2.3 压下量对微型平面弹簧疲劳性能的影响

5.2.4 蚀刻温度对微型平面弹簧疲劳性能的影响

5.2.5 厚度对微型平面弹簧疲劳性能的影响

5.2.6 疲劳试验最佳工艺参数方案

5.3 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

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摘要

随着MEMS技术的快速发展,其应用范围和市场规模均在快速扩大。以各种微型零件与微型结构集合的MEMS技术,其发展的核心即为微型零件与微型结构的制备技术。微型平面弹簧具有提供弹性力和传递能量的作用,是重要的力学结构,因此研究高性能微型平面弹簧具有重要实际意义。本文提出以形变强化后的T2紫铜为原料,利用精密蚀刻法制备微型平面弹簧,研究了不同轧制条件下T2紫铜室温下的微观组织变化及力学性能,探索了蚀刻工艺对微型平面弹簧的成形质量和力学性能的影响。
  T2紫铜拉伸屈服强度同时存在晶粒尺寸效应和特征尺寸效应,其中特征尺寸效应大于晶粒尺寸效应。T2紫铜的拉伸屈服强度随着晶粒尺寸d的减小和样品厚度H的增加而增加。T2紫铜拉伸屈服强度存在明显的方向性,而且晶粒尺寸和样品厚度对其方向性的规律有显著影响。
  成功制备出厚度为0.10mm、0.15mm以及0.20mm的0.50mm线宽的轧制T2紫铜微型平面弹簧。在实验条件范围内,基板厚度的增加和蚀刻温度的升高会导致蚀刻微型平面弹簧线宽精度的降低;压下量则对微型平面弹簧线宽精度无明显影响。压下量对腐蚀粗糙度的影响较大,且粗糙度随压下量的增加而减小;微型平面弹簧蚀刻侧面的粗糙度随温度升高先降后升;厚度对蚀刻侧面粗糙度无明显影响。
  微型平面弹簧疲劳性能随压下量和蚀刻温度的增加先降低后升高,随厚度增大而减小,配方2蚀刻液疲劳性能最好。制备出的轧制T2紫铜微型平面弹簧弹性系数高于目前大部分研究者制备的微弹簧弹性系数;循环使用寿命范围为45-299次,多数情况在百次以上,高于文献中报导的LIGA技术制备的镍基弹簧。

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