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随着微机电系统技术的发展,面向微机电器件的金属微结构得到了越来越多的应用。金属微结构的制作方法有多种,其中掩膜电解加工方法以其成本低、污染小、工具电极无损耗、加工效率高等优点,在微细制造领域具有广阔的应用前景。然而,在掩膜电解加工过程中,由于阳极金属的各向同性腐蚀属性,加工中的侧蚀现象不可避免的发生。这种侧蚀现象使得微结构的非加工区域产生了过多的材料去除,严重影响了掩膜电解加工的定域蚀除能力,降低了掩膜电解加工的定域性,限制了掩膜电解加工技术的广泛应用。针对上述问题,本文提出了改善掩膜电解加工定域性的兆声辅助掩膜电解加工方法及兆声微粒协同作用掩膜电解加工方法,并对其作用机理展开研究,研究内容如下:研究了兆声声强与阳极刻蚀速率之间的关系,建立了兆声辅助掩膜电解加工微坑结构的仿真模型。首先,分析了兆声辅助掩膜电解加工中声场、流场、传质和电解过程的耦合关系,确定了兆声声强对阳极刻蚀速率的影响规律。其次,利用COMSOL Multiphysics多物理场有限元分析软件建立了兆声辅助掩膜电解加工微坑结构的仿真模型,对兆声辅助掩膜电解加工中的声场、流场、传质过程及电解过程进行了仿真分析,获得了微坑结构的轮廓演化曲线。仿真结果表明:在兆声辅助掩膜电解加工过程中,随着声强的增大,电解液中声压不断增大,电解液中气体浓度不断减小,电解液电导率不断升高。并且,与无兆声作用相比,兆声作用下阳极反应生成的离子浓度减小。兆声作用下刻蚀微坑的结构尺寸及蚀刻因子均得到了一定程度的提高。由此可见,兆声波促进了阳极反应的进行,提高了掩膜电解加工的刻蚀速率,改善了微结构的加工定域性。在对兆声换能器的振动模式及声学特性研究的基础上,研制了兆声辅助掩膜电解加工实验装置。首先,基于连续体振动理论分析了兆声换能器的厚度伸缩振动模式,确定了换能器辐射端的半波匹配设计方案。其次,通过模态分析以及谐响应分析研究了兆声压电换能器的模态频率与响应振幅,利用阻抗分析仪及声辐射力天平测量了兆声压电换能器的阻抗特性及辐射声功率。测量结果表明:石英匹配层厚度为半波长时兆声换能器的阻抗最小、辐射声功率最大,换能器电声效率高达67.3%。最后,在兆声压电换能器半波匹配的基础上,制作了双侧声源结构的兆声电解槽。将阴极移动、电解液循环、水浴加热、装置壳体等功能部件与兆声电解槽集成,开发了兆声辅助掩膜电解加工实验装置。该装置具有集成度高、耐腐蚀性能好、辐射声功率大,声能量分布均匀等特点。在优选掩膜电解加工基本工艺参数的基础上,开展了不同兆声声强下的掩膜电解加工实验研究。首先,在无兆声作用下研究了电解电压、电解液组分、电解液pH值以及脉冲频率对刻蚀结果的影响,优选了掩膜电解加工的工艺参数。其次,在不同兆声声强下开展了微坑结构的掩膜电解加工实验研究。研究结果表明:当掩膜孔径为100 μm,孔间隔为500 μm,兆声声强分别为0 W/cm2、1.6 W/cm2、4.8 W/cm2、8.0 W/cm2时,微坑结构的蚀刻因子分别为1.56、1.75、1.91、2.35,即在兆声作用下,微坑结构的刻蚀定域性分别提高了 12.2%、22.4%、50.6%。最后,从兆声去除固体电解产物的角度分析了兆声提高掩膜电解加工材料去除速率、改善加工定域性的机理,探究了固体电解产物与材料去除速率之间的关系,修正了兆声辅助掩膜电解加工微坑结构的仿真模型。在兆声辅助掩膜电解加工研究的基础上,为了进一步改善微结构的加工定域性,提出了兆声微粒协同作用掩膜电解加工方法。首先,开展了不同SiC微粒粒径、不同微粒含量以及不同兆声声强下的掩膜电解加工实验。实验结果表明:当掩膜孔径为100 μm,孔间隔为300 μm,刻蚀时间为120 s、SiC粒径为40 μm、微粒相含量为6 g/L、兆声声强为8.0 W/cm2时,刻蚀微坑结构的平均直径为148.7 μm,深度为59.9 μm,蚀刻因子为2.5。与相同工况下的无兆声微粒刻蚀、兆声辅助刻蚀相比,兆声微粒协同作用掩膜电解加工的微坑蚀刻因子分别提高了 5 8.2%和35.9%。其次,分析了兆声微粒协同作用掩膜电解加工中微粒对微结构内固体电解产物的冲蚀作用,研究了兆声声强、微粒粒径、微粒含量对固体电解产物的影响规律,确定了兆声声强、微粒含量与固体电解产物膜阻之间的半经验公式。最后,对兆声微粒协同作用掩膜电解加工获得的微结构进行了阻抗测试,揭示了兆声微粒协同作用改善掩膜电解加工定域性的机理。为了验证兆声微粒协同作用掩膜电解加工方法在金属微结构制作中的有效性和可行性,开展了兆声微粒协同作用下三种典型金属微结构的制作研究,并对其刻蚀效果进行了评价。三种金属微结构分别为:微凸阵列结构、微通道阵列结构以及微滤网板结构。研究结果表明:有、无兆声微粒作用下微凸阵列结构的蚀刻因子分别为2.87和2.07;微沟道阵列结构的蚀刻因子分别为4.02和2.77;刻蚀120 s时,微滤网板中网格线的蚀刻因子分别为1.79和0.93。兆声微粒协同作用有效地改善了金属微结构掩膜电解加工的定域性,提高了微结构的加工精度。