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微电铸模具：铸层平整性优化与多样截面微结构制造工艺研究

一、绪论

1.1研究背景与意义

在现代微机电系统（MEMS）领域，微电铸技术作为一种关键的微加工方法，正发挥着日益重要的作用。微电铸技术基于电化学沉积原理，能够在微观尺度下精确地复制各种微细结构，为制造高精度的金属模具和器件提供了有效的手段，在电子信息、生化检测、光学工程以及国防工业等诸多领域都有着广泛的应用。

然而，当前基于微电铸的金属微模具制作技术仍存在一些亟待解决的关键问题，这些问题严重制约了微电铸技术的进一步发展和应用。其中，模具铸层的平整性问题尤为突出。铸层弯曲变形和电铸瘤的出现，会导致金属模具表面不平整，这不仅影响了微结构的复制精准性，还可能引发后续生产过程中的一系列问题，如在注塑或热压等工艺中，无法准确地将模具的微结构复制到聚合物材料上，从而降低产品的质量和性能。

同时，多样化截面形状微结构金属模具的制作工艺也相对匮乏。在实际应用中，不同的微机电系统往往需要具有特定截面形状微结构的模具来满足其独特的功能需求。例如，在微流控芯片中，三角形或矩形截面的微通道模具能够实现特定的流体流动控制；在微光学元件制造中，拱门形截面微结构模具可用于制作具有特殊光学性能的器件。因此，开发多样化截面微结构的制作方法，对于拓展微电铸技术的应用范围，满足不同领域对微结构器件的多样化需求具有重要意义。

本研究旨在深入探讨模具铸层平整性的改进方法以及多样截面微结构的制作策略，通过解决这些关键问题，提升微电铸技术制作金属微模具的质量和精度，为MEMS领域的发展提供更坚实的技术支持，推动相关产业的进步。

1.2国内外研究现状

1.2.1模具铸层平整性研究进展

国内外众多学者针对模具铸层弯曲变形和电铸瘤问题展开了广泛而深入的研究。在铸层弯曲变形方面，研究发现电流参数对其有着显著的影响。通过将脉冲电铸和直流电铸与不同大小的电流密度进行组合实验，研究人员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，进而获得最佳的电流参数组合。有研究表明，采用小电流密度脉冲电铸，在一定测量长度条件下，铸层表面的高度差可有效减小，从而显著改进模具铸层弯曲变形。

在电铸瘤的研究上，学者们分析了其产生的原因，并提出了多种解决方案。其中，设置阴极屏蔽结构是一种较为有效的消除电铸瘤的方法。利用ANSYS有限元分析软件，能够仿真电流密度在阴极表面的分布状况，从而找出最优化的屏蔽结构高度，并通过实际电铸实验对仿真结果加以验证。实验结果显示，在特定的屏蔽结构高度条件下，可成功消除铸层边缘的电铸瘤。

此外，还有研究通过改进电铸液的组成成分和工艺参数，来改善铸层的质量和平整性。通过添加特定的添加剂，能够细化晶粒，减少内部应力，从而降低铸层弯曲变形和电铸瘤出现的概率。

1.2.2多样截面微结构制作研究进展

在不同截面形状微结构模具制作工艺的研究方面，国内外也取得了一定的成果。对于三角形截面微结构镍模具的制作，通常采用优化后的微电铸工艺与体硅工艺相结合的方法。通过对硅片进行特定的刻蚀处理，形成三角形的微结构模板，再利用微电铸技术在模板上沉积金属镍，最终获得表面平整、弯曲变形程度小的三角形截面微结构镍模具。

矩形截面微结构镍模具的制作同样依赖于类似的工艺路线。通过精确控制光刻和刻蚀工艺，制作出矩形截面的光刻胶模板，然后进行微电铸，使金属镍填充模板的微结构空隙，经过后续处理得到所需的矩形截面微结构镍模具。

对于拱门形截面微结构金属模具的制作，一些研究则侧重于对硅的各向同性湿法刻蚀实验的探讨。通过优化刻蚀工艺参数，能够在硅片上形成特定形状的凹槽，以此为模板进行微电铸，从而制作出满足要求的拱门形截面微结构金属模具。

然而，目前这些制作工艺仍存在一些不足之处，如工艺复杂、成本较高、制作周期长等，需要进一步的研究和改进。

1.3研究内容与方法

本研究的主要内容包括两个方面：一是深入研究铸层平整性的优化方法，通过分析金属模具弯曲变形的原因，讨论电流参数对模具弯曲变形的影响，并将脉冲电铸和直流电铸与不同大小的电流密度进行组合实验，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；同时，分析电铸瘤的产生原因，提出设置阴极屏蔽结构来消除电铸瘤的方法，并使用ANSYS有限元分析软件仿真电流密度在阴极表面的分布状况，找出最优化的屏蔽结构高度，通过实际电铸实验对仿真结果进行验证。

二是探索多样截面微结构的制作方法，采用优化后的微电铸工艺与体硅工艺相结合，分别制作三角形、矩形、拱门形截面形状微结构的镍模具，丰富多样化截面形状微结构金属模具的制作工艺路线。

在研究方法上，主要采用实验研究和理论分析相结合的方式。首先，设计并搭建微电铸平台，为实验研究提供基础条件。对微电铸液组成成分和工艺参数进行