基于电化学沉积的高深宽比无源MEMS惯性开关的研制

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1、基于电化学沉积的高深宽比无源MEMS惯性开关的研制米杜立群1’2，陶友胜1，李爰琪2，齐磊杰1(1．大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，大连116024；2．大连理工大学辽宁省微纳米及系统重点实验室，大连116024)【摘要】基于电化学沉积技术在金属基底上制作了一种新型的无源MEMS惯性开关。针对高深宽比、细线宽微电铸用光刻胶模具制作过程中，由于su一8胶膜严重侧蚀导致的胶膜制作困难、质量低下的问题，进行了紫外光刻试验研究。试验研究了不同曝光剂量和后烘时间对SU一8胶光刻效果的影响，优化了光刻工艺参数。采用降低曝光剂量和延长后烘时间相结合的方法解决了高深宽比

2、、细线宽SU一8胶膜制作困难的问题，制作出高质量的微电铸用光刻胶模具。最后，在上述试验结果基础上制作了一种高深宽比、无源MEMS惯性开关。其外形尺寸为3935I-Lm×3935斗mX234¨m，其中最细线宽12Ixm，单层最大深宽比达10：1，多层最大深宽比达20：1。关键词：电化学沉积；微电铸模具；高深宽比；紫外光刻DoI：10．16080／j．issnl671-833x．2017．14．024杜立群教授、博士生导师，主要研究方向为微器件UV-LIGA加工技术、微模具制造、PZT压电薄膜制备与应用．超声波在微纳加工中的应用等。$基金项目：国家自然科学基金项目(51

3、375077．51475245)；大连理工大学创新团队项目(DLJ，r16TD20)。24航空制造技术·2017年第14期MEMS惯性开关作为一种由弹簧和质量块构成的惯性冲击检测传感器，具有尺寸小、造价低、能耗少等优点，在航空、航天、运输等工业领域中具有良好的应用前景”。3】。具有高深宽比的MEMS惯性开关在性能上要比一般的惯性开关更加优越HI。因此，高深宽比MEMS惯性开关的制作工艺备受关注。近年来，uV—LIGA技术凭借其成本低、工艺周期短而在MEMS惯性开关的制作中得到应用睁】。由于在近紫外波段具有较高的透明度以及较低的散射性，SU一8胶被认为是制作高深宽比微

4、结构的首选光刻胶。以SU一8胶为牺牲层材料的多层Uv—LIGA技术是制作金属MEMS惯性开关的有效方法[6-8]。但随着厚度和深宽比的增大，SU一8胶光刻的难度也越来越大。同时，基底材料与胶膜结构的复杂程度也会对制作产生影响。马日红等【91研究发现：过曝光引起的严重衍射效应使胶膜侧壁出现“残胶”，并通过优化曝光剂量在硅基上得到深宽比微10：1的su一8微结构。Zhang等【l州研究发现曝光剂量对高深宽比SU一8微沟道的线宽以及侧壁倾角的影响较大，并通过优化曝光剂量参数在硅基上完成了深宽比19：1的SU一8微沟道栅格的制作。张金娅等””研究发现不恰当的光刻参数会导致“

5、T—top”现象，并通过优化热处理和曝光参数获得了最高深宽比达27：1的SU一8微结构。以上这些研究在硅基底或玻璃基底上通过优化光刻参数使用普通的uV—LIGA技术制作出深宽比很高的SU一8微结构。但是，研究对象往往是“圆柱”、“棱柱”等一些简单的单体结构或简单阵列结构。在制作多层金属MEMS惯性开关的工艺中，电铸用SU一8胶模具需要在金属基底或金属种子层上制作，深宽比较大，结构复杂程度较高。SU一8胶与金属的结合力低于SU一8胶与硅或玻璃材料的结合力，因此在金属基底上难以获得较大深宽比的SU一8胶微结构【I21。同时，多层胶膜制作过程中，层与层之间的相互影响增大了

6、光刻参数的控制难度”31。此外，由于MEMS惯性开关结构复杂，不同尺寸的“阴”、“阳”图形对光刻参数的要求往往相互牵制【l41。综上所述，在金属层上制作高深宽比的多层SU一8胶膜的难度较大。本课题组前期研究了多层胶膜制作时，通过控制胶膜的均匀性，结合小曝光剂量完成了复杂结构胶膜的制作，随后通过电铸得到最大深宽比为6：1的金属MEMS惯性开关陋’旧J。本文研制的MEMS惯性开关最大深宽比达20：1，其中单层最大深宽比超过10：l。这种超高深宽比的MEMS惯性开关的制作目前还鲜有报道。本文基于电化学沉积技术利用SU一8胶作为微电铸模具材料在金属基底上通过5次SU一8胶光

7、刻工艺和5次微电铸工艺制作出了高深宽比无源MEMS惯性开关。针对结构复杂、深宽比高的SU一8胶膜显影侧蚀导致制作失败的问题，研究了不同光刻参数对SU一8胶膜制作效果的影响。设计了9组不同曝光剂量与后烘时间的光刻试验，通过对比分析得出最优光刻参数。并将光刻试验获得的最优光刻参数应用于MEMS惯性开关的制作工艺中，收到了很好的效果。高深宽比SU一8胶光刻工艺研究本文研制的无源MEMS惯性开关由6部分组成：环状悬浮质量块、环状柔性电极、固定电极、限位挡环、质量块支撑弹簧以及柔性电极支撑弹簧，如图1所示。根据开关不同部分的功能差异以及尺寸差异，开关的制作采用SU一8胶叠