平面微型弹簧精密蚀刻工艺研究(2)
平面工艺的基础是光刻技术。其大致流程为：首先在基片上涂覆一层光敏物质，通过掩膜板使其部分曝光，显影之后可以将预先设计的图案显示在光敏物质上，再利用沉积或消减原料将图形移至基片上，通过多层曝光、沉积或蚀刻即可在基片上构建预想的微纳米结构。在平面工艺中微小结构由曝光所得，因此影响加工结构尺寸的是成像系统的分辨率。该工艺最终获得的是完整的系统而非单个构件。
探针工艺的原理是，通过各种微纳米量级探针进行材料表面形貌修改，获取微纳米图形或结构。其探针形式可以是原子力显微探针、扫描隧道显微探针等固态探针，也可以是原子束、激光束等非固态探针。该工艺一般只用于小范围生产或科学研究中。
1.2 平面微弹簧力学性能的研究概况
1.3 微弹簧的制备材料与技术
硅、金属、玻璃和紫外光固化SU-8胶等都可用于制作平面微弹簧，其中硅和金属最为常见。采用硅材料制作的微弹簧，机械性能和电学性能不错，但在冲击力较大的环境易发生断裂失效。金属材质微弹簧的抗拉强度高、疲劳寿命长，可在大应力条件下出色的完成工作[9]。
平面微弹簧的常用制备技术有：体硅加工工艺、微挤压工艺、LIGA技术及其优化后的UV-LIGA技术等。
1.3.1 体硅加工工艺
利用光刻工艺对块体硅进行加工，得到微弹簧。文献[10]中采用该制备工艺，制得一种蛙脚形的硅质微弹簧。
1.3.2 LIGA技术及UV-LIGA技术
LIGA工艺于1986年由德国W. Ehrfeld教授提出，包括X光深层光刻工艺、微电铸工艺和微复制工艺3个工艺步骤。与其它微加工方法相比，LIGA技术最显著的特点在于其超深结构加工能力，即制备极高的深宽比构件。工艺中所用模具可重复使用，符合市场批量生产要求。LIGA技术制备微器件，其材料可以为聚合物、硅、金属、玻璃及陶瓷等。如文献[11]中采用SU-8胶力学制备出微阀门。文献[12]用硅为原料，制备了一种微电磁驱动MEMS可变光衰减器。文献[13]则以金属为材料，采用X射线曝光技术可以获得了一种线形微驱动器。
由于LIGA工艺以深度同步辐射X射线为光源，代价高昂；且X光掩膜的制作工艺技术难度较高。为此，在LIGA的工艺基础上发展出了各种准LIGA工艺，包括UV-LIGA技术、Laser-LIGA技术、IB-LIGA技术及Si-LIGA和DEM技术等。其中最常用的为UV-LIGA工艺。UV-LIGA技术与LIGA技术工艺大体相同，区别在于UV-LIGA采用紫外光取代了X光。UV-LIGA工艺解决了LIGA工艺的缺陷，在降低成本的同时，也缩短了制作周期。
1.3.3 微挤压工艺
本课题组前期工作中，洪祥挺等人[14]选用QAl7铝青铜为实验材料，通过冷挤压成形工艺成功制备出具有高疲劳寿命的“S”型平面微弹簧，尺寸规格为8mm长、2mm宽、0.5mm线宽和0.5mm厚度。
1.3.4 一些特殊形状微弹簧的制备方法
除上述方法外，还有一些用于制备特殊形状微弹簧的方法，如贾雁鹏等人利用双光子微纳加工技术结合化学镀工艺制备三文金属微弹簧结构[15]。
1.3.5 平面微弹簧制备技术的缺陷
尽管当前制备平面微弹簧的方法有很多，但是这些方法也存在各种各样的缺陷。例如：体硅加工工艺制备微弹簧，其材料只能是硅，且制作过程中硅的利用率太低，难以大批量生产；LIGA工艺制作成本高，且技术难度较大； UV-LIGA技术则存在电铸时间过长，电铸产物疏松，微弹簧力学性能较差等缺点。为此，本文提出金属精密蚀刻法，以探究高效率，形貌、疲劳性能良好的平面微弹簧的制备工艺。
1.4 金属精密蚀刻加工
蚀刻就是用物理或化学手段按照设计要求除去多余的金属。该方法没有具象的加工器具，因此可以制备尺寸微小的零件，例如电路板、电子零件等。金属精密蚀刻工艺由光刻和蚀刻两部分组成。