基于电铸技术制造精密金属微器件

鉴于电铸技术在实现精密金属微结构/器件方面所展现出的独特优越性,依托其为主要工艺手段,以制造微十字和微圆柱两种不同尺度的精细金属微器件为目标,开展试验研究,并借助扫描电镜对所得微器件的形貌质量进行评价。结果表明:基于电铸技术能制造出良好形貌且具备较高廓形精度的金属微器件。     

活动屏蔽膜板高深宽比微细电铸技术研究

针对金属微结构器件制造难的问题,提出了活动屏蔽膜板高深宽比微细电铸技术,通过屏蔽膜板动态地限制电沉积的区域,可以用低深宽比的膜板图形加工出高深宽比的金属微结构,并且免除了去胶等难题。在对活动屏蔽膜板微细电铸电场及传质进行分析的基础上,开展试验研究,获得了特征尺寸为500μm,深宽比分别为3和5的微静电梳状驱动器梳齿及微圆柱电极阵列。     

面向微细制造的微成形技术

综述了近年来微成形(微尺度金属零件和微结构金属零件成形)技术的发展概况，包括微成形工艺系统、成形中的微尺度效应、微尺度冲裁、挤压、拉深、超塑成形等工艺的试验和研究结果，以及已经提出和发展的考虑微尺度效应的各种力学本构模型，并简要介绍了微成形相关的工艺装备系统的发展现状，分析了微成形技术的发展趋势和经济潜力。     

活动屏蔽膜板高深宽比微细电铸技术研究

针对金属微结构器件制造难的问题,提出了活动屏蔽膜板高深宽比微细电铸技术,通过屏蔽膜板动态地限制电沉积的区域,可以用低深宽比的膜板图形加工出高深宽比的金属微结构,并且免除了去胶等难题。在对活动屏蔽膜板微细电铸电场及传质进行分析的基础上,开展试验研究,获得了特征尺寸为500μm,深宽比分别为3和5的微静电梳状驱动器梳齿及微圆柱电极阵列。
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金-塑微结构注射成型仿真与试验研究*

金属-塑料(聚合物)复合高强件具有强度高、质量小、易成型复杂结构等优点,在航空航天、汽车制造、通信等领域日益得到重视。介绍金-塑复合微结构注射成型原理,建立聚合物熔体在金属表面微结构填充流动的数值模型。采用两相流水平集方法追踪获得了微尺度下聚合物熔体在金属表面的流动前沿,研究金属表面微结构尺寸大小、注射速度和金属表面温度等参数对聚合物熔体填充微结构能力的影响规律,为实际产品的生产成形提供理论基础。根据金-塑复合件的成型理论与技术,构建金-塑复合成型试验装置,采用物理喷砂的方式制备了金属表面的微结构,并注射获得了金属-塑料成型的试验试样。通过对获得的试验试样进行拉伸剪切试验,验证了本文仿真结果的合理性。所取得的研究结果对优化金-塑成型工艺参数和改善产品质量有着重要的启发和指导意义。     

基于准分子激光的微结构与微器件加工制作研究

介绍了准分子激光微加工的机理,设计并研制了步进控制的二维微动扫描台,建立了一种基于准分子激光的微加工装置,通过计算机控制扫描路径,可实现点、线、面等基本微结构以及组合型微结构、微器件的加工制作。利用该准分子激光微加工装置,进行了微结构和微器件的加工实验,成功加工制作出齿轮形微结构和微型无芯薄膜变压器件。准分子激光微加工装置具有加工效率高、加工切口平整、可实现各种形状的微结构与微器件的加工等特点,可望在微机电系统（MEMS）及微纳米技术领域得到广泛应用。     

基于电场驱动熔融喷射聚合物基复合材料高分辨率3D打印

针对当前聚合物基复合材料（Polymer matrix composites,PMC）成型存在打印分辨率低、打印材料受限、成型结构较为简单、工序复杂等方面的不足和局限性,尤其是还面临难以实现宏/微结构跨尺度高效制造的挑战性难题,提出一种基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印新工艺。阐述了基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印的基本原理和工艺流程。通过试验,揭示了主要工艺参数（碳填料含量、施加电压、螺杆转速、打印速度、加热温度等）对于打印件分辨率（精度）和质量的影响及其规律。利用自主搭建的试验平台,并结合试验优化的工艺参数和提出的两种打印模式,实现了多层石墨烯/聚乳酸（Polylactic acid,PLA）和多壁碳纳米管/PLA复合材料微尺度三维网格、多层石墨烯/PLA大高宽比薄壁圆环、多壁碳纳米管/PLA复合材料柔性导电网格以及其他聚合物复合材料3D结构典型工程案例的制造。研究结果表明,提出的电场驱动熔融喷射3D打印能实现高分辨聚合物基复合材料成型（使用内径300 μm喷嘴,实现了分辨率为40 μm的PMC特征结构制造）,而且还具有大面积宏/微结构跨尺度集成制造的优势。     

超声微细电铸试验研究

试验研究和分析了电解液施加超声搅拌作用时不同声强对试样形貌质量的影响,优选了工艺参数,在此基础上,进行了超声微结构电铸试验,并制备出多种金属微器件。试验结果表明：超声搅拌声强为12～14W／cm^2时,电铸出的镍微器件积瘤、针孔等缺陷少,塌角、圆边现象明显减少,表面平整。微细电铸时,电解液施加适量大小声强的超声搅拌,能显著改善微细电铸器件形貌质量,提高金属充填能力。     

中国微纳制造研究进展

介绍了中国微纳制造领域的总体概况。从微构件力学性能、微纳摩擦磨损及粘附行为研究、典型微流体器件输运特性研究、拓扑优化技术在微纳结构设计中的应用研究、微传热学的研究和微测试方法和装置的研究具体介绍了微纳制造基础理论方面取得的进展。从设计方法、硅基微机电系统(Micro electro mechanical system,MEMS)制造工艺、非硅MEMS制造工艺等方面介绍了微系统设计与加工工艺研究进展。从物理量微传感器、微执行器件与系统、微纳生化传感与分析和微能源等方面介绍了微纳器件与微纳系统的研究进展,最后对中国微纳制造发展进行了总结和展望。     

星载射频组件一体化焊接工艺研究

基于小型化星载射频组件的研制需求,综合利用微组装工艺与表面安装工艺的技术优点,开发了一种一体化焊接工艺,通过陶瓷封装高铅植球、印制电路板/腔体焊接和低空洞真空汽相焊接,完成了对系统级封装（System in Package, SiP）器件、多层射频板、射频绝缘子、金属腔体和双面安装器件的一体化高可靠焊接。产品性能测试、环境试验及工艺鉴定试验表明,该工艺在生产周期、装配效率、一次合格率、性能一致性、长期可靠性等方面具有突出的优势。     

UV-LIGA制作超高微细阵列电极技术

采用UV-LIGA技术制作了超高金属微细阵列电极,并利用电解置桩的方法辅助去除SU-8胶。通过单次涂胶和提高前烘温度、降低后烘温度的方法制作了厚度达1mm的SU-8胶结构;采取反接电极法在金属基底上电解得到微坑,增强电铸金属电极与金属基底的结合力,保证去胶后电铸金属的完整性。选取优化的工艺参数:单次注射式涂胶,前烘110℃/12h,适量曝光剂量,分步后烘50℃/5min、70℃/10min、90℃/30min,反接电极电解10V/15min等,获得了高900μm、线宽300μm的金属微细阵列电极结构。试验表明,UV-LIGA技术是一种高效、经济的制造超高微细阵列电极的有效手段。     

UV-LIGA技术制备微型柔性镍接触探针

对探针的制作方法、关键工艺环节等进行了分析与研究,给出了基于UV-LIGA技术制备微型柔性镍接触探针的工艺过程,分析了制备的技术关键,试验优选了关键制备环节的工艺参数,在此基础上,制作出微型柔性镍接触探针。试验结果表明:采用工艺条件优选的UV-LIGA技术,如前烘60 ℃,120 min,90 ℃,120 min;较大曝光剂量;后烘65 ℃,10 min,95 ℃,45 min;匀胶后静置、随炉冷却和超声辅助显影等辅助措施,所制备出的柔性接触探针(主体总长4 mm,宽80 μm,高100 μm;弹簧处高宽比为5(100 μm:20 μm))尺寸精度高;三角锥状针尖曲率半径小于5 μm;缺陷少,形貌质量高。     

UV-LIGA和微细电火花加工技术组合制作三维金属微结构

为了制作三维金属微结构,研究了UV-LIGA和微细电火花加工技术组合的工艺方法。使用UV-LIGA技术制作了准三维金属微结构,然后,对该微结构进行微细电火花加工制作三维金属微结构。使用提出的方法制作出了局部为梯形凸台和锥形凹槽三维微结构的镍模具,给出了梯形凸台和锥形凹槽的尺寸。分析了微细电火花加工中放电参数对表面粗糙度的影响,在工作电压为65V,标称电容为100pF时得到了Ra为0.08μm的微细电火花加工表面。研究结果表明,使用该方法可实现三维金属微结构的制作;通过减小工作电压和标称电容的方法可降低微细电火花加工的表面粗糙度。     

UV-LIA制作超高微细阵列电极技术研究

超高金属微细阵列电极在微细加工领域和生命科学领域有广泛应用。本文采用UV-LIGA技术制作超高金属微细阵列电极,并利用电解置桩的方法辅助去除SU-8胶。通过单次涂胶、提高前烘温度、降低后烘温度的方法制作了厚度达1mm的SU-8胶结构;采取反接电极法在金属基底上电解得到微坑,增强电铸金属电极与金属基底的结合力,保证去胶后电铸金属的完整性。选取优化的工艺参数：单次注射式涂胶;前烘110℃/12h;适量曝光剂量;分步后烘50℃/5min、70℃/10min、90℃/30min;反接电极电解10V/15min等,获得了高900μm、线宽300μm的金属微细阵列电极结构。试验表明,UV-LIGA技术是一种高效、经济的制造超高微细阵列电极的有效手段。     

在金属基底上制作高深宽比金属微光栅的方法

根据光学领域对高深宽比金属微器件的需求,利用UV-LIGA工艺在金属基底上制作了具有高深宽比的金属微光栅。采用分层曝光、一次显影的方法制作了微电铸用SU-8胶厚胶胶模,解决了高深宽比厚胶胶模制作困难的问题。由于电铸时间长易导致铸层缺陷,故采取分次电铸等措施得到了电铸光栅结构;同时通过线宽补偿的方法解决了溶胀引起的线宽变小问题。在去胶工序中,采用"超声-浸泡-超声"循环往复的方法。最终,制作了周期为130μm、凸台长宽高为900μm×65μm×243μm的金属微光栅,其深宽比达到5,尺寸相对误差小于1%,表面粗糙度小于6.17nm。本文提出的工艺方法克服了现有方法制作金属微光栅时高度有限、基底易碎等局限性,为在金属基底上制作高深宽比金属微光栅提供了一种可行的工艺参考方案。     

Ultrasonic vibration assisted grinding of hard and brittle linear micro-structured surfaces

In this paper, a novel ultrasonic vibration assisted grinding (UVAG) technique was presented for machining hard and brittle linear micro-structured surfaces. The kinematics of the UVAG for micro-structures was first analyzed by considering both the vibration trace and the topological features on the machined surface. Then, the influences of the ultrasonic vibration parameters and the tilt angle on the ground quality of micro-structured surfaces were investigated. The experimental results indicate that the introduction of ultrasonic vibration is able to improve the surface quality (The roughness SR_a was reduced to 78 nm from 136 nm), especially in guaranteeing the edge sharpness of micro-structures. By increasing the tilt angle, the surface roughness can be further reduced to 56 nm for a 59% improvement in total. By using the preferred UVAG parameters realized by orthogonal experiments, a micro cylinder array with surface roughness of less than 50 nm and edge radius of less than 1 μm was fabricated. The primary and secondary sequence of the grinding parameters obtained by the orthogonal experiments are as follows: feed rate, tilt angle of workpiece, depth of grinding, vibration frequency and amplitude. The spindle speed in the range of 1000 rpm–3000 rpm does not significantly affect the machined micro-structured surface roughness. Finally, more micro-structures including a micro V-groove array and a micro pyramid array were machined on binderless WC as well as SiC ceramic by means of the UVAG technique. The edge radius on the V-grooves and pyramids are both less than 1 μm, indicating the feasibility of UVAG in machining hard and brittle micro-structured surfaces for an improved surface quality.     

一种单稳态微电磁继电器的研究

优化设计出一种微电磁继电器,介绍了其驱动原理,通过对微电磁继电器的电磁驱动力及活动衔铁的位移进行分析计算,设计了微电磁继电器的三维结构,以增大磁路效率,减小漏磁通,从而增加电磁驱动力。采用MEMS加工工艺,试制了该新型微电磁继电器的样件,其尺寸为5 mm×5 mm×1 mm,它由上磁路、下磁路、平面励磁线圈、固定触点和活动衔铁等部分组成。微电磁继电器的平面励磁线圈电阻约20 Ω,外加5 V电压时,微电磁继电器可实现吸合动作。吸合后,微电磁继电器的导通电阻为14.5 Ω,继电器的响应时间为1 ms。     

Micro wire electrochemical machining with an axial electrolyte flow

Micro wire electrochemical machining is a useful technique to produce high-aspect-ratio slit micro-structures. To improve processing stability, the axial electrolyte flow is adopted to renew electrolytes in the machining gap. A wire electrochemical micro-machining system with an axial electrolyte flow unit is developed. A mathematical model of tool feed rate is presented. To investigate the influence of electrolyte flow on processing stability and machining efficiency, comparative experiments were carried out. The influence of applied voltage and electrolyte concentration on machining accuracy is studied and the parameters such as electrolyte flow rate and applied voltage are optimized. Low initial machining gap is applied to decrease the stray current machining in the initial machining period. With the optimal parameters, the high-aspect-ratio micro spline and curved flow channel with the slit width of 160?μm have been fabricated on 5-mm-thick stainless steel (0Cr18Ni9). The width of the slit is uniform and the aspect ratio is 31.     

采用过电铸工艺制造金属微细阵列网板

针对制作尺度10μm的超小微细阵列网板非常困难的问题,提出了采用过电铸工艺制造超小尺寸微细阵列网板的方法。建立了过电铸工艺过程的电场模型,利用有限元分析技术对过电铸工艺过程进行模拟仿真。选取优化的工艺参数(烘胶120℃/60min,曝光3000mJ/cm2,显影2min等)利用光刻制作了高度为50μm、直径为50μm的AZEXP125nXT-10A光刻胶群柱结构,以此胶膜结构作为模具进行了过电铸工艺实验,并与仿真结果进行对比,结果证明了有限元仿真的正确性。最后,通过过电铸缩孔2h获得了厚度达70μm,孔径为4μm的微细阵列网板结构。实验表明,过电铸工艺是一种低廉、安全、可批量生产的制作超小阵列网板的方法。     

Theoretical and experimental research on error analysis and optimization of tool path in fabricating aspheric compound eyes by precision micro milling

Structure design and fabricating methods of three-dimensional （3D） artificial spherical compound eyes have been researched by many scholars. Micro-nano optical manufacturing is mostly used to process 3D artificial compound eyes. However, spherical optical compound eyes are less at optical performance than the eyes of insects, and it is difficult to further improve the imaging quality of compound eyes by means of micro-nano optical manufacturing. In this research, nonhomogeneous aspheric compound eyes （ACEs） are designed and fabricated. The nonhomogeneous aspheric structure is applied to calibrate the spherical aberration. Micro milling with advantages in processing three-dimensional micro structures is adopted to manufacture ACEs. In order to obtain ACEs with high imaging quality, the tool paths are optimized by analyzing the influence factors consisting of interpolation allowable error, scallop height and tool path pattern. In the experiments, two kinds of ACEs are manufactured by micro-milling with different too path patterns and cutting parameter on the miniature precision five-axis milling machine tool. The experimental results indicate that the ACEs of high surface quality can be achieved by circularly milling small micro-lens individually with changeable cutting depth. A prototype of the aspheric compound eye （ACE） with surface roughness （Ra） below 0.12 p.m is obtained with good imaging performance. This research ameliorates the imaging quality of 3D artificial compound eyes, and the proposed method of micro-milling can improve surface processing quality of compound eyes.