杜立群，董雅坤，郭柄江，蔡小可，王 帥，李經(jīng)民

（1. 大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，大連 116024；2. 大連理工大學遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點實驗室，大連 116024）

裝配式慣性開關(guān)與傳統(tǒng)開關(guān)相比具有成本低、體積小、易于集成、抗干擾能力強等優(yōu)點，廣泛應用于航空航天、電子通信、工業(yè)控制和國防軍工等領(lǐng)域[1]。現(xiàn)有的微細加工方法中，微銑削加工剛度較差、易變形，導致工件加工精度低；微細電火花加工由于電極尺寸微小易出現(xiàn)電極損耗現(xiàn)象、加工效率低；激光加工存在熱影響的問題，加工表面易燒傷，造成基板表面形態(tài)的變化，且受設(shè)備限制，只能對特定高度范圍的工件進行加工[2-3]，難以滿足裝配式慣性開關(guān)的加工要求。而作為制作金屬微器件主要方法之一的微電鑄技術(shù)，具有加工精度高、可批量生產(chǎn)、可制備多層結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，在加工高深寬比、小尺寸微器件方面具有獨特的優(yōu)勢，可以滿足裝配式慣性開關(guān)的加工要求。

然而，在裝配式慣性開關(guān)的微電鑄過程中，電鑄區(qū)域被不導電的光刻膠分成了若干部分，干擾了電力線在陰陽極之間的均勻分布，引起陰極表面電流密度分布不均[4]，導致裝配式慣性開關(guān)出現(xiàn)嚴重的鑄層厚度不均勻問題，影響后續(xù)工藝的順利進行[5]。微電鑄過程中，線寬小的區(qū)域電鑄面積小、反應離子消耗慢，而線寬大的區(qū)域電鑄面積大、反應離子消耗快。在總電流一定的條件下，線寬小的區(qū)域電場線分布較集中、電流密度大、電鑄層生長較快；線寬大的區(qū)域電場線分布較稀疏、電流密度小、鑄層生長緩慢。隨著電鑄時間的延長，裝配式慣性開關(guān)的電鑄層會出現(xiàn)嚴重的厚度分布不均現(xiàn)象。因此，鑄層厚度不均勻問題是裝配式慣性開關(guān)制作過程中的瓶頸。

為了改善電鑄過程中電鑄層厚度不均勻的問題，國內(nèi)外研究人員主要從優(yōu)化電沉積工藝參數(shù)、引入脈沖電流、添加輔助陰極或屏蔽擋板等方面展開了研究[6-11]。在改善傳質(zhì)方面，現(xiàn)有的文獻表明，兆聲波具有的低空化、高聲強、強聲流的優(yōu)點可以增強電鑄過程中的離子傳質(zhì)，提高鑄層均勻性，且可以避免電鑄過程中對光刻膠母模的破壞[5，12-13]?；谡茁暡ǖ奶攸c，本文將其應用于裝配式慣性開關(guān)的制作過程中，以改善鑄層厚度嚴重不均的問題。首先，采用數(shù)值模擬的方法計算不同兆聲波加載方式及不同功率密度條件下，兆聲波對電鑄不均勻度的改善效果。其次，依據(jù)仿真結(jié)果開展有、無兆聲波輔助微電鑄的試驗驗證研究。仿真與試驗結(jié)果均表明，采用兆聲波輔助微電鑄的方法可以改善電鑄過程中鑄層厚度不均勻的問題。最后，根據(jù)仿真結(jié)果選取合適的兆聲波參數(shù)，采取兆聲波輔助微電鑄的加工方法制作出符合設(shè)計要求的裝配式慣性開關(guān)。

1 數(shù)值模擬

1.1 裝配式開關(guān)的結(jié)構(gòu)

裝配式慣性開關(guān)作為一個控制彈藥保險狀態(tài)的安全保險系統(tǒng)，由框架、滑塊、離心保險鎖、彈簧、后坐懸臂卡鎖5 個部件裝配而成，總體尺寸為20 mm×20 mm，總設(shè)計高度為900 μm，如圖1 所示 （該設(shè)計圖由南京理工大學聶偉榮教授課題組提供）。在上述5 個部件中，滑塊結(jié)構(gòu)的電鑄層寬度差距最大。如圖2 所示，A處的電鑄層寬度為7183 μm，而B處的電鑄層寬度只有200 μm，電鑄層最大寬度是最小寬度的35 倍以上。電鑄時，電鑄層寬度小的區(qū)域鑄層生長快，率先達到設(shè)計的高度要求。為了使電鑄層寬度大的區(qū)域也達到設(shè)計高度，必須延長加工時間。這樣一來，延長了加工周期，同時也使得后續(xù)平坦化加工的工作量增大，增加了制作成本。為了縮短裝配式慣性開關(guān)的加工周期、降低其制作成本，提高電鑄時鑄層厚度的均勻性顯得尤為重要。為此，本文以裝配式慣性開關(guān)的滑塊結(jié)構(gòu)為例，研究兆聲波對電鑄過程中鑄層厚度均勻性的改善效果。

圖1 裝配式慣性開關(guān)的組成部件Fig.1 Components of assembled inertial switch

圖2 滑塊結(jié)構(gòu)Fig.2 Slider structure

1.2 物理模型

微電鑄加工過程示意圖如圖3所示，陽極為鎳板，與電源正極相連，陰極基板為涂覆有SU-8 膠的白鋼片，與電源負極相連，陰陽極板間充滿電鑄液。電源接通時，在電場力的作用下陽極金屬鎳失去電子，氧化為鎳離子溶于電鑄液中；而陰極表面電鑄液中充足的鎳離子得到從電源負極轉(zhuǎn)移來的電子，被還原成鎳原子，沉積在陰極。外加電源與陰陽極相接，產(chǎn)生連續(xù)不斷的電流，陰陽極反應不斷進行，鎳原子在陰極表面堆積形成鎳鑄層。兆聲換能器貼在電鑄槽內(nèi)壁兩側(cè)，與單獨的電源相連接，可將電信號轉(zhuǎn)化為兆聲波振動，以輔助微電鑄加工。

圖3 兆聲波輔助微電鑄加工示意圖Fig.3 Schematic diagram of megasonicassisted microelectroforming process

根據(jù)法拉第定律可以得出鑄層質(zhì)量和陰極表面總電流的關(guān)系式[14]，以及陰極鑄層質(zhì)量的計算公式，綜合可得鑄層厚度d與陰極電流密度ica的關(guān)系式[5]，即

式中，C為電化學當量；t為電鑄時間；η為電流效率；ρm為金屬密度。

由式（1）可得，其他條件相同時，鑄層厚度取決于陰極電流密度。

利用法拉第定律可以確定陰極表面的擴散電流密度和離子的擴散流量之間的關(guān)系，在電鑄后期的穩(wěn)態(tài)擴散階段，通過菲克第一定律確定離子的擴散流量和濃度梯度的關(guān)系，即可得到擴散電流密度id與濃度梯度dc/dx的關(guān)系式[10]，即

式中，n為電極反應的化學計量系數(shù)；F為法拉第常數(shù)；D為離子的擴散系數(shù)；c為濃度；x為距離。

當電鑄過程中，擴散傳質(zhì)成為制約離子反應速度的主要原因時，陰極電流密度ica可以用陰極表面離子的擴散速度id表示。

式 （3）說明，陰極電流密度與陰極表面鎳離子的濃度梯度成正比。因此，改善陰極表面鎳離子的濃度梯度可以改善陰極表面的電流密度分布，從而提高鑄層的厚度均勻性。

1.3 幾何模型及初始條件

利用COMSOL 多物理場有限元分析軟件，分別對有、無兆聲波輔助電鑄加工進行三維仿真模擬。根據(jù)兆聲波輔助電鑄的實際過程，建立了包括聲場、流場、傳質(zhì)、電化學沉積的兆聲波輔助電鑄多物理場耦合模型。

電鑄加工過程中，純鎳基板作為陽極，涂覆有圖形化后SU-8 膠的白鋼板作為陰極，陰陽極間距為20 mm，其間充滿電鑄液。兆聲波輔助微電鑄過程中，兆聲換能器貼在石英槽兩側(cè)內(nèi)壁上，產(chǎn)生兆聲波振動作用于電鑄液，工作頻率為1 MHz，最大輸出功率為2.4 W/cm2。對兆聲波輔助微電鑄系統(tǒng)進行三維幾何模型的建立，進行了4 點簡化： （1）根據(jù)陰極滑塊結(jié)構(gòu)的排布進行簡化處理，將單個滑塊結(jié)構(gòu)作為陰極進行沉積；（2）對應陰極滑塊結(jié)構(gòu)，將陽極簡化為邊長為30 mm 的正方形平面； （3）根據(jù)石英電鑄槽的實際形狀和尺寸，將其簡化為長、寬、高分別為30 mm、20 mm、30 mm 的電鑄液區(qū)域； （4）根據(jù)兆聲換能器的實際形狀、尺寸，將左右兩側(cè)的換能器簡化為對陰陽極兩側(cè)長30 mm、寬20 mm 的矩形平面上的聲壓作用。通過以上簡化建立三維幾何模型，如圖4 所示。

圖4 幾何模型Fig.4 Geometrical model

根據(jù)兆聲波輔助微電鑄的實際工藝條件，分別設(shè)置4 個物理場的阻抗和壓力作為邊界條件。外部介質(zhì)的特性阻抗可以通過不同介質(zhì)的密度和聲速計算，聲壓可以通過兆聲波聲功率密度和聲壓的關(guān)系式設(shè)置[5]。實際加工中，兆聲波的最大功率密度為2.4 W/cm2。仿真過程中，兆聲波的功率密度分別選用0.8 W/cm2、1.6 W/cm2、2.4 W/cm2，電鑄液電導率設(shè)置為4.5 S/m，仿真時間選取為18000 s。

4 個物理場模型設(shè)置完成后，分區(qū)域劃分網(wǎng)格如圖5 所示。耦合計算后，提取鑄層厚度數(shù)據(jù)，計算不均勻度。鑄層厚度的均勻性用不均勻度來評價[15]，即

圖5 網(wǎng)格劃分后的幾何模型Fig.5 Geometric model after meshing

式中，α為鑄層厚度不均勻度；hmax、hmin分別為鑄層的最大、最小厚度。

為了對比不同兆聲波條件對鑄層厚度均勻性的影響效果，引入不均勻度減小率r以表征均勻性的改善程度。

式中，αa、αw為有、無兆聲波輔助電鑄的鑄層厚度不均勻度。

1.4 仿真結(jié)果分析

1.4.1 兆聲波振動方式對鑄層厚度均勻性的影響

為了研究雙向同時振動、左右交替振動和單側(cè)振動3 種不同兆聲波振動模式對鑄層厚度均勻性的影響，本文研究了功率密度2.4 W/cm2、電流密度750 A/m2及相同電鑄時間下，不同兆聲波加載方式對鑄層厚度均勻性的影響。本文將左右交替振動模式簡化為左側(cè)振動30 min、右側(cè)振動30 min，且交替進行，同時仿真計算無兆聲波輔助微電鑄的厚度不均勻度作為對比，計算結(jié)果如圖6 所示。

圖6 兆聲波振動方式對不均勻度的影響Fig.6 Influence of megasonic vibration mode on nonuniformity

圖6 和表1 的不均勻度數(shù)值均是由仿真結(jié)果中陰極電鑄表面的最高點和最低點計算得到。由計算結(jié)果可知，無兆聲波時，鑄層厚度不均勻度為109.46%；在單側(cè)振動、左右交替振動和雙向同時振動3 種兆聲波振動模式下，鑄層厚度不均勻度分別為51.66%、48.58%、43.03%。相比無兆聲波的結(jié)果，單側(cè)振動、左右交替振動和雙向同時振動模式下鑄層厚度不均勻度分別減小了52.80%、55.62%、60.69%。以上3 種兆聲波振動模式下的仿真結(jié)果表明，兆聲波輔助微電鑄可以有效提高鑄層的厚度均勻性，且3 種兆聲波振動模式中，提高鑄層厚度均勻性的效果排序依次是：雙向同時振動效果最好，左右交替振動次之，單側(cè)振動最差。

表1 不同振動模式下鑄層厚度不均勻度α 和不均勻度減小率r 的計算結(jié)果Table 1 Calculation results of nonuniformity α and reduction rate r of electroforming layer under different vibration modes

電鑄過程中，在單側(cè)聲壓的作用下電鑄液由一側(cè)流向另外一側(cè)，流經(jīng)陰極表面時由于反應離子不斷消耗，使得電鑄液離子濃度和電流密度分布不對稱。左右交替兆聲波振動模式中，當兆聲波由左側(cè)振動變換為右側(cè)振動時，電鑄系統(tǒng)中的離子濃度和電流密度分布與左側(cè)振動相反。因此，與單側(cè)兆聲波振動模式相比，左右交替振動模式下的鑄層均勻性較好。當兆聲波雙向同時振動時，左右兩側(cè)的聲壓共同作用于電鑄液，電鑄液在微溝道中間區(qū)域相遇，進入微溝道內(nèi)部，電鑄系統(tǒng)內(nèi)的離子濃度和電流密度均為對稱分布，且在陰極表面，離子濃度分布差異較小，電流密度分布均勻，故雙向加載振動模式下鑄層的均勻性最好。

1.4.2 功率密度對鑄層厚度均勻性的影響

為了研究兆聲波功率密度對鑄層厚度均勻性的影響，在雙向同時振動模式的條件下，選取了4 種功率密度進行仿真，導出仿真結(jié)果中陰極滑塊結(jié)構(gòu)的厚度最高、最低點，由式（4）和 （5）計算得出其不均勻度α和不均勻度減小率r，如圖7 和表2 所示。對比可知，無兆聲波條件下，滑塊的鑄層厚度不均勻度為109.46%，在兆聲波功率密度分別為0.8 W/cm2、1.6 W/cm2、2.4 W/cm2時，滑塊的鑄層厚度不均勻度分別為55.88%、50.68%、43.03%，相比無兆聲波的結(jié)果，不均勻度分別減小了48.95%、53.70%、60.69%。

圖7 兆聲波功率密度對不均勻度的影響Fig.7 Influence of different power densities on nonuniformity

表2 不同功率密度下鑄層厚度不均勻度α 和不均勻度減小率r 的計算結(jié)果Table 2 Calculation results of nonuniformity α and reduction rate r at different power densities

為了方便比較，本文選取了滑塊結(jié)構(gòu)的一條水平線，導出了不同兆聲波功率密度條件下該水平線的鑄層厚度分布，如圖8 所示。圖8 直觀反映了不同兆聲波功率密度對鑄層厚度均勻性的影響，即兆聲波功率密度越大，改善均勻性的效果越好。

圖8 不同功率密度下陰極的鑄層厚度分布Fig.8 Thickness distribution of cathode at different power densities

2 兆聲波輔助電鑄加工試驗

為了驗證仿真的正確性，本文在此基礎(chǔ)上進行了試驗驗證，設(shè)計了有、無兆聲波輔助的微電鑄試驗。根據(jù)仿真結(jié)果，在兆聲波雙向同時振動模式且兆聲波功率密度為2.4 W/cm2時，提高鑄層厚度均勻性的效果最顯著。故對比試驗中兆聲波的試驗條件設(shè)置為功率密度為2.4 W/cm2的雙向同時振動。無兆聲波輔助電鑄組作為兆聲波輔助電鑄組的對比，其他試驗條件完全相同，且電鑄時間與仿真時間保持一致。驗證試驗中陰極由9 個均布排列的滑塊結(jié)構(gòu)組成，最小線寬為200 μm。兆聲波輔助微電鑄完成后利用電感測微儀測量鑄層厚度，并計算鑄層的不均勻度。

2.1 試驗裝置

兆聲波輔助微電鑄試驗裝置如圖9 所示。石英槽內(nèi)陰陽極放置在電鑄液中，在外部電源的作用下發(fā)生電化學反應，石英槽放置在水浴槽內(nèi)，由溫控裝置控制其溫度保持恒定。兆聲發(fā)生器產(chǎn)生電信號，兆聲換能器將其轉(zhuǎn)變?yōu)檎茁暡ㄕ駝幼饔糜陔婅T液，由時間繼電器控制，以便達到符合試驗要求的兆聲波條件，從而實現(xiàn)兆聲波輔助微電鑄。

圖9 兆聲波輔助微電鑄試驗裝置Fig.9 Experimental setup of megasonic-assisted microelectroforming

2.2 試驗流程

有、無兆聲波輔助微電鑄對比試驗的工藝流程如下：首先對兩組試驗片進行基片預處理，保證基片平整光亮、無雜質(zhì)；然后，在基片表面進行SU-8 光刻膠的圖形化，圖形化后利用兆聲波輔助電鑄設(shè)備在SU-8 膠微溝道內(nèi)部進行微電鑄沉積；沉積結(jié)束后，將基片置于SU-8 去膠液中，溶脹去膠、釋放；最后，利用電感測微儀對其厚度進行測量。

2.3 試驗結(jié)果

圖10 為滑塊結(jié)構(gòu)的鎖頭部位有、無兆聲波輔助微電鑄加工的試驗結(jié)果，其中鑄層區(qū)域明暗亮度不同，代表了鑄層高度不同。由于電場的邊緣效應，靠近光刻膠的區(qū)域鑄層厚度較高，而遠離光刻膠的區(qū)域鑄層厚度較低。如圖10（a）所示，電鑄區(qū)域的明暗亮度差異較大，說明無兆聲波輔助電鑄時鑄層不均勻現(xiàn)象嚴重；圖10（b）與圖10（a）相比，電鑄區(qū)域的明暗亮度差異較小，說明兆聲波輔助電鑄時鑄層厚度較為均勻。

圖10 有、無兆聲波輔助微電鑄的試驗結(jié)果Fig.10 Experimental results of microelectroforming with and without megasonic-assisted

使用電感測微儀進行測量時，基片放置于載物臺上，將測量頭分別置于鑄層表面和基底表面，其示數(shù)之差即為鑄層厚度，如圖11 所示。測量9 個滑塊結(jié)構(gòu)的鑄層最大值和最小值，求取鑄層厚度均勻性的平均值，將兩組試驗片數(shù)據(jù)進行對比。在無兆聲波及兆聲波功率密度為2.4 W/cm2條件下，鑄層厚度均勻性的試驗結(jié)果如表3 所示。

圖11 電感測微儀測量鑄層厚度Fig.11 Measuring thickness of the electroforming layer by inductance micrometer

表3 有、無兆聲波輔助電鑄滑塊結(jié)構(gòu)厚度不均勻度α 和不均勻度減小率r 的試驗結(jié)果Table 3 Experimental results of nonuniformity α and reduction rate r at different megasonic conditions

與無兆聲波輔助微電鑄的結(jié)果相比，加載兆聲波功率密度為2.4 W/cm2的兆聲波雙向振動攪拌后，鑄層的厚度不均勻度從104%減小到50.15%，均勻性提高了51.78%，試驗與仿真趨勢一致，但是存在少許誤差。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相比，相對誤差為17.21%。主要原因是，本文在仿真中對電鑄系統(tǒng)進行了簡化，且忽略了兆聲波的空化效應和熱效應的影響。仿真和試驗結(jié)果表明，兆聲波輔助微電鑄可以提高鑄層均勻性。

3 裝配式慣性開關(guān)的制作

裝配式慣性開關(guān)的制作材料為純鎳，在制作時各部件需要滿足高度和側(cè)壁垂直度要求以實現(xiàn)后續(xù)裝配。因此，采用疊層工藝進行高深寬比的裝配式慣性開關(guān)制作。

3.1 制作流程

裝配式慣性開關(guān)的5 個裝配部件需要分別制作。制作時，由于SU-8膠無法一次達到設(shè)計高度，需要采用疊層工藝進行制作?？蚣艿脑O(shè)計高度為900 μm，需要6 次疊層制作；滑塊、離心保險鎖和后坐懸臂卡鎖的設(shè)計厚度為800 μm，需要5 次疊層制作；彈簧設(shè)計高度為100 μm，單層制作即可完成。單層微結(jié)構(gòu)具體制作流程如圖12 所示。

圖12 單層微結(jié)構(gòu)制作工藝流程Fig.12 Single-layer microstructure fabrication process

（1）基板預處理。為了后續(xù)制作的順利進行，基板需要達到一定的平面度、粗糙度和潔凈度，因此，對不銹鋼基板進行研磨、拋光、超聲清洗和烘干，去除表面的氧化、凹坑等缺陷。

（2）SU-8 膠母模制作。在清洗好的不銹鋼基板上依次進行勻膠、烘膠、曝光、顯影等工藝，對膠膜進行圖形化處理。

（3）兆聲波輔助精密微電鑄。根據(jù)前述仿真與試驗結(jié)果，采用兆聲波雙向振動模式、功率密度2.4 W/cm2的工藝參數(shù)輔助微電鑄進行制作。兆聲波通過改善微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的離子濃度分布改善了陰極的電流密度分布，從而達到均布鑄層厚度的目的。

（4）平坦化處理。兆聲波輔助電鑄后，鑄層均勻性得到了有效改善，但微電鑄完成后鑄層厚度的均勻性和表面質(zhì)量影響疊層工藝的進行，需要在下層制作前進行平坦化處理。

（5）去膠釋放。多層SU-8 膠膜制作、微電鑄和平坦化處理達到設(shè)計厚度要求后，將其溶于SU-8 膠去膠液進行去膠釋放可以得到符合設(shè)計要求的裝配式慣性開關(guān)微結(jié)構(gòu)。

3.2 制作結(jié)果

經(jīng)過上述一系列工藝步驟后，制作得到了符合設(shè)計要求的裝配式慣性開關(guān)如圖13 所示。將兆聲攪拌引入微電鑄加工過程，改善了鑄層厚度均勻性，減少了后續(xù)平坦化處理的工作量，縮短了加工周期，降低了加工成本。單層制作時，需要進行SU-8膠膜的制作、微電鑄工藝及平坦化處理。其中，SU-8 膠膜制作及微電鑄工藝需要28 h。采用無兆聲波輔助微電鑄時，需要14 h 的平坦化處理；采用兆聲波輔助微電鑄時，需要3.5 h 的平坦化處理。因此，與無兆聲波輔助微電鑄工藝相比，采用兆聲輔助微電鑄方法制作裝配式慣性開關(guān)時，整體制作時間縮短了25%。

圖13 制作完成的裝配式慣性開關(guān)Fig.13 Fabricated inertial switch

4 結(jié)論

為了改善電鑄層的厚度均勻性、縮短裝配式開關(guān)的加工周期，本文將兆聲波引入裝配式慣性開關(guān)的微電鑄過程，得到如下結(jié)論。

（1）不同兆聲波的加載方式對微電鑄均勻性的改善效果不同，仿真結(jié)果表明，雙向兆聲波加載方式對鑄層厚度均勻性的改善效果更好。

（2）仿真不同的兆聲波功率密度對厚度均勻性的影響。仿真結(jié)果表明，兆聲波功率密度越大，電鑄均勻性越好。當加載2.4 W/cm2的功率密度時，鑄層厚度不均勻度減小了60.69%。

（3）相較于無兆聲波輔助電鑄，加載2.4 W/cm2的兆聲波輔助電鑄厚度均勻性更好，且試驗與仿真趨勢相近，驗證了仿真的正確性。

（4）基于仿真和試驗結(jié)果，利用兆聲輔助微電鑄的方法制作完成了符合設(shè)計要求的裝配式慣性開關(guān)。與無兆聲輔助微電鑄工藝相比，采用兆聲輔助微電鑄方法后開關(guān)的制作時間縮短了25%。