电铸是利用金属离子在阴极上沉积来制造金属制品的增材加工过程,其加工过程是以离子的形式进行的。由于金属离子的尺寸非常微小,小于纳米尺度,因此电铸技术相对于其它很多微加工方法在原理上具有优势,在微纳米加工领域有着很大的发展潜能。另外,电铸属非接触加工,具有无切削应力变形、无热影响区、无工具损耗、低成本、适用范围广等优点。微小尺度(Micro/Meso尺度)是高科技产品和国防产品最密切相关的尺度领域,因而相对应的Micro/Meso加工技术成为各工业发达国家广泛关注和重点投入的研究热点。本文主要针对Micro/Meso尺度金属微结构,首先提出一种实用的微细电铸成型技术,然后围绕这一新技术的开发进行研究。本文的主要内容包括以下几个方面:(1)提出屏蔽模板随动式微细电铸技术,即通过屏蔽模板随电沉积层高度的增加而微量移动,从而用厚度有限的屏蔽模板制造出原理上高度不受限制的三维金属微结构。(2)针对屏蔽模板随动式微细电铸技术的特点,建立了随动式电沉积试验系统。整个试验系统包括四个部分:加工控制系统、电解液系统、电沉积系统以及加工状态的检测与监控。该系统满足屏蔽模板随动式电铸技术的要求,实现了x-y-z三轴精密联动,加工状态的在线监控以及沉积厚度的实时检测;实现了电解液加热循环,周期更新;针对装夹中出现的屏蔽模板与阴极之间的楔形误差,设计了自找平夹具。基于LabVIEW开发的控制软件,方便实现各种随动电沉积方式,并对加工中的电信号进行实时检测,同时根据采集到的信号作出快速反应,对异常加工情况自动采取相应措施,保证加工顺利进行。(3)试验研究了基于金属基底的SU-8光刻胶紫外光刻工艺的各个环节,包括甩胶、前烘、曝光、后烘、显影等。在正交试验的基础上运用BP神经网络对试验数据进行分析处理,预测了较正交试验分析结果更为优化的工艺组合,并用试验验证了其正确性。利用优化的工艺措施,制备出了高尺寸精度、轮廓清晰、表面质量好、无明显缺陷、与基底结合力强的屏蔽阳极模板。(4)根据电场基本理论建立屏蔽阳极模板随动式微细电铸极间电场模型。基于建立的电场模型,利用有限元技术分析加工定域性,并对加工过程进行模拟。将数值分析及模拟结果用于指导试验研究。(5)开展屏蔽阳极模板随动式微细电铸关键技术研究。研究屏蔽阳极模板采用可溶与不可溶材料、磷铜与电解铜基底时对沉积结果的影响;在分析屏蔽阳极模板随动式微细电铸技术电沉积的特点及极化曲线测定的基础上,研究电流密度对沉积微结构表面质量的影响,得到电流密度的选择范围;对屏蔽阳极模板受到的化学、电化学以及机械破坏作用进行研究,提出延长屏蔽阳极使用寿命的技术措施;开展不同随动方式加工金属微结构的试验研究,成功制造了微齿轮等微金属元器件。(6)理论分析了活动模板随动式电铸过程中扩散传质及电场分布对沉积结果的影响。深入开展了活动模板随动式微细电铸技术试验研究,利用该技术成功制造了微圆柱电极阵列及微梳齿驱动器等金属元器件。本文进行的屏蔽模板随动式微细电铸技术研究,是特种微细加工技术的拓展,将其应用于金属微结构器件的制作,必将对微机电系统的进一步发展起到有力的推动作用。