MEMS引信部件LIGA制作工艺及其问题分析

MEMS引信部件LIGA制作工艺及其问分析 MEMS引信部件LIGA制作工艺及其问题 分析 第3O卷第5期 2008年1O月 探测与控制学报 JournalofDetection&Control Vo1.3oNo.5 0ct.2008 MEMS引信部件LIGA制作工艺及其问题分析 吴志亮,黄新龙,朱继南1,张合 (1.南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094; 2.中国科学技术大学国家同步辐射实验室,安徽合肥230029) 摘要:探讨了包括标准LIGA技术,UV-LIGA技术在内的MEMS引信部件的制作 方法,给出了使用现有 LIGA技术加工MEMS引信部件的流程,存在的问题以及解决方案,对MEMS引 信设计提出了基于工艺制作 的要求和思考. 关键词:MEMS;引信;LIGA;工艺 中图分类号:TJ43;TN405文献标志码:A文章编号:1008-1194(2008)05-0048—04 AnalysisontheFabricationoftheMEMSFuzeDeviceandItsProblems WUZhi-liang,HUANGXin-long,ZHUJi-nan,ZHANGHe (1.SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Na njing210094,China; 2.NationalSynchrotronRadiationLaboratory,UniversityofScienceandTechnologyofC hina,Hefei230029,China) Abstract:ThemanufacturemethodsofMEMSfuzedevices,includingstandardLIGAtech nologyandUV-LIGA technology,arediscribed,andthestandardLIGAtechnicsflowchartisgiven.Basedonthe manufactureexperi— ence,thedomesticLIGAprogressflowchartandthetypicalstatesaregiven;theproblemsex istinginLIGApro— gressarediscussedanddemandsonLIGAprogressaresettotheMEMSfuzedesignertopro motetheapplication ofMEMStechnologyinfuze. Keywords:MEMS;fuze;LIGA;UV-LIGA;technics 0引言 随着MEMS技术的发展和应用的推广,MEMS 引信作为一种新概念引信已经越来越受到重视. MEMS引信具有高可靠性,低成本,小体积,多功能 等方面的优越特性,必定成为21世纪引信的新 宠[1].引信中的零件大多是可动零件,需承受较强 的工作环境(几万g),这些零件往往需要足够的机 械强度和刚度才能保证动作可靠性.反映在 MEMS机构中,即这些MEMS可动器件应具有高 深宽比的特性.在现有技术条件下,制作这些高深 宽比器件通常有两种方法_2]:一为基于Si基底体 加工技术中的深层反应离子刻蚀工艺(DRIE);二为 LIGA工艺,它的最大优点是可以用金属制作零部 件并可实现批量化的微复制工艺.通过对比分析, 采用LIGA技术制造MEMS安全保险机构优于 DRIE工艺.随着LIGA技术的不断深入研究,国内 外研究人员针对不同的目的,设计开发了多种LI— GA工艺L3J,如ULIGA,Laser-LIGA,DEM等准 LIGA技术,S_LIGA技术,M2uGA技术,抗蚀回流 LIGA技术等.在制作引信安全保险机构过程中, 运用到的LIGA技术主要为标准LIGA技术和UV— LIGA技术. 1标准LIGA工艺和UV-LIGA工艺 标准LIGA技术可以制造大高宽比的结构,理 论上最小宽度达到微米量级,深度可达数百微米,甚 至毫米量级,非常适合于制作复杂的微机械结构. 同时,标准LIGA技术获得微结构有良好的侧壁陡 *收稿日期:2008—03—2O 作者简介:吴志亮(1981一),男,江苏高邮人,博士研究生,研究方向:小口径引信关 键技术. 吴志亮等:MEMS引信部件LIGA制作工艺及其问题分析49 直性和图形的精确性.由X射线深度曝光和微电 铸获得金属模具后,通过塑铸,可以得到大高宽比, 精度高的聚合物结构.标准LIGA技术如图1所 示.一般技术文章给出的标准LIGA工艺流程图与 图1相仿,它没有给出具体实际加工过程,实际上 LIGA过程每一步都是有严格的操作规程.在实际 制作过程中具体的工艺流程图如2所示.其过程中 典型阶段状况如图3所示. 1.光捌燕彰 嘲学辐射x辩蠼 一撑黟韶靛 觏 3.塑铸脱模 一 … 移藉 图1标准LIGA工艺步骤 图2标准LIGA技术的MEMS器件制作工艺 (a)铬板掩 (b)xN线掩模 (c)显影 (d)电镀及部件释放 图3实际LIGA工艺流程 .它采用深 UV_LIGA技术属于准LIGA技术 紫外线曝光如图4所示,加工厚度为几微米至几百 微米.由于LIGA工艺需要大型且昂贵的同步辐射 X光源和制作复杂的X光掩模,即使美,德等国家也 只有不多的同步辐射X光源.准UGA技术大大地 降低了工艺设备的成本,除了曝光时采用普通紫外 光源外,其他工艺过程与LIGA工艺基本相同,是一 种很有发展前途的MEMS制作技术.UV_LIGA 也是一个多步工艺过程,其工艺路线如图5所示. 50探测与控制学报 图4紫外曝光过程 图5UV-LIGA技术的MEMS器件制作工艺 2MEMS引信部件LIGA/jN-r工艺问 题及其思考 LIGA技术在国内的研究起步较晚,其在引信 技术中的应用研究只是在最近十年间开始的.在研 究的过程中,遇见的各种问题都必须由我们独立思 考解决.下面结合在实际加工过程中遇见的问题, 提出一些思考. 2.1图形设计问题 在资料研究中不难发现美国图形设计的几大特 点:1)总体设计的比较匀称;2)边线拐弯处采用圆弧 过渡,避免成角度的强硬连接;3)在图形结构较为致 密的地方刻有文字或者留有孔洞,如图6所示.在 不了解具体工艺流程的情况下,很容易误解这是美 国人的个性使然,当然并不排除这种可能性以及设 计时的必要考虑,如质心安排在中轴线上,但笔者更 倾向于这是为后续的电镀考虑.因为图形设计的不 均匀性,电铸系统中,电流分布受图形分布影响,导 致局部金属离子沉积不均匀而产生缺陷,若来不及 循环补充离子将导致最终材料疏松与孔洞.因此设 计者在满足设计要求的情况下应尽可能把图形设计 的均匀以提高电镀质量,直线连接处用圆弧过渡以 减小应力.另外设计图形时要注意高深宽比的极 限,尽可能不要将图形线宽设计在加工工艺极限附 近. 图6美国设计的某型MEMS引信安全保险机构 2.2电镀问题 在LIGA工艺中,制作X射线掩模是关键的一 步,其电镀溶液是自配的亚硫酸盐镀金溶液.电镀 金过程是在显完影的基底上,以基底种子层为电极, 没有曝光的AZ9260面理论上不应电镀上金属, 但是在前期的操作过程中,会发生金电镀时造成爬 .经过分析,这是因为电镀前采 壁现象,如图7所示 用氧等离子体清洗去除图形根部残留的显影液和光 刻胶时,种子层上的金材料质软,容易被溅射在图形 的侧壁上.通过清洗时间的控制,可以达到改良电 镀效果的目的.发生金属卷皮现象的原因与镀金溶 液的状态有关,如温度,PH值等.电镀溶液具有相 当大的腐蚀能力,很容易腐蚀没有被保护的其他金 属器件,所以应在电镀的过程中,避免杂质的进入. 图7镀金时的爬壁现象 2.3电铸问题 电铸是在光刻胶结构的缝隙内电镀沉积金属, 这要比电镀难得多,尤其是大高宽比结构的电铸,针 孔,气泡,应力,均匀性能等都会影响到电铸结构质 量,如图8所示.电铸不同于电镀,通常电铸件镀层 吴志亮等:MEMS引信部件LIGA制作工艺及其问题分析51 通常相当厚.一般电镀镀层厚度约在1,50m之 间,而电铸镀层厚度一般明显大于数百微米,甚至经 常达到几个毫米以上.在这相对漫长的电铸过程当 中,电铸溶液的局部变化,如某些致密部分大量消耗 的金属离子得不到顺畅补充,将会导致电镀件的质 量下降.另外,电铸时的温度,电流大小,电压大小 等电铸参数的变化影响,都将影响最终电铸的质量. 电铸的机理分析,影响因素的探讨,国内外均有大量 的文献报道. 图8电铸件表面的孔洞图 2.4电镀种子层的去除问题 在LIGA工艺过程去除光刻胶之后,从基底开 始的结构顺序是金属基底板或Si片,上面溅射的一 层种子层,如Ti/Cu/Ti,再上为金属器件.这就带 来了一个问题,电铸之后的器件从基板剥离后,往往 会沾附一层种子层,造成可活动部件释放不开,如图 9所示迷宫弹簧底部.这层种子层可以用强碱溶液 或者稀酸溶液配以强氧化性物质,在某个温度下通 过一段时间清洗干净,但是这个时间与温度的控制 很难掌握,很有可能会损伤图形结构.一种有效的 办法是利用S-LIGA的研究方法,如在溅射的种子 层上电镀一层Zn作为牺牲层,Zn层可以通过稀酸 溶液很容易地去除. 图9电铸件背面粘附的种子层 2.5装配问题思考 MEMS器件的显着特点之一是其结构的微小 型化,一般来讲,其典型尺寸在微米到毫米量级. MEMS引信安全保险机构部件的尺寸一般在几个 毫米,局部结构尺寸在几十微米,所以在不损伤 MEMS引信部件的前提下,用手工完成这些MEMS 引信器件的装配难度很大.美国已在最新公开的文 献Es]展示了它的研究成果,这个问题应当引起我们 的高度重视.如图10所示为美国专为MEMS引信 设计的自动化微组装单元. 图1O美国专为MEMS引信设计自动化微组装单元 2.6大批量生产问题思考 LIGA技术本身的成本很高,即使是降低设备 成本的UV—LIGA技术,理论上都是通过复制技术 来实现大批量生产从而降低成本的.如图1所示 LIGA技术工艺步骤,其中显示大批量生产应该是 通过电镀成型的模具来注塑或压制成型塑料产品 的,但是就目前来看,MEMS引信所需要的是金属 产品,也就是说它不能通过自身的复制技术来大批 量生产引信部件,这个问题应该得到我们的重视. 美国在这一问题上,提出了使用粉末金属喷射模塑 的大批量生产的方法. 当然在实际的加工过程中,要制备合乎需求的 MEMS引信部件所遇到的问题肯定远远不止这些, 比如我们所得到的MEMS器件,在经过上述很多阶 段的处理以后,它的材料性能有无改变,还能不能达 到原先设计的目的,这些问题都将制约MEMS技术 在引信中的推广.这些问题涉及物理,化学,电子, 机械等领域,由于局限性,其解决只有依靠设计者与 制作者之间的相互沟通,共同去解决.无疑,这些问 (下转第56页) 56探测与控制学报 表1单元电池填充吸附材料与无吸附材料电性能对比试验数据表 对比图5和图6,图7和图8,可以看出:在同等 条件下,筒形单元电极间填充吸附隔膜的电池,放电 时间长;从表1数据也可以看出:同一时间点,单元 电极间填充吸附材料的电池输出电压高. 可见,单元电池电极问填充吸附材料,可以有效 地增加电解液保持能力,增大电极反应面积,延长电 池放电时间,但会增加低温的激活时间. 5结论 针对非旋转弹无转速或转速低的特性,根据不 同的过载特点,设计不同的铅酸储备电池激活方式, 采取单元电极间填充吸附隔膜的技术途径.验证试 验表明:铅酸储备电池可以在非旋转弹引信上使用, 发挥铅酸储备电池的技术可靠,低成本等优势,所做 的技术探索对以后针对某种非旋转弹设计引信电源 提供了参考,也为以后引信选用电源开阔了思路,对 拓宽铅酸储备电池的应用范围具有积极的意义. 参考文献: ,黄峥,马宝华,等.国外引信技术发展趋势分析与 [1]施坤林 加速发展我国引信技术的必要性厂J].控制与探测学报, 2005,27(3):1-5. 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