尺寸精度等。内在质量是指微观组织、以及非金属夹杂物、气孔、缩孔、带状组 织等缺陷。为了获得高性能的平面微弹簧,需要对平面型微弹簧塑性成形的质量 进行控制。
晶粒尺寸是内在质量的重点。根据 Hall-Petch 理论,在一定的尺寸范围内, 晶粒尺寸越小屈服强度越高,从而所可以承受的力也越大。用细晶粒材料生产弹 簧是提高弹簧疲劳性能的主要办法,原因是晶粒越小,单位体积内的晶界越多, 晶界间原子排列比晶粒内更加混乱,位错密度较高。一方面晶界对塑性变形(如 滑移)的阻碍作用增强,有利于强度的提高;另一方面晶粒越小、材料的塑性越 好。细化晶粒可以通过大塑性变形来实现。
在金属蚀刻中,外在质量主要包括表面粗糙度、尺寸精度等。金属蚀刻后的 表面粗糙度,受零件初始状态的影响很大。经过大塑性变形处理的坯料,其表面 可能存在擦伤、划痕等物理缺陷,如果在蚀刻前不经过表面处理,会严重影响蚀 刻后零件的表面粗糙度。而且这种表面擦伤、划痕会严重影响光刻匀胶过程。
在金属腐蚀过程中,一方面腐蚀垂直于零件表面进行,另一方面腐蚀同时沿 着平行于表面的方向进行,这样就产生了侧蚀。影响刻蚀精度最主要的原因是侧 蚀,侧蚀主要与晶粒尺寸、零件尺寸以及蚀刻工艺(包括温度、配方等)有关。 为了控制蚀刻尺寸精度,迫切需要研究晶粒尺寸、零件尺寸以及蚀刻工艺对大塑 性变形处理坯料腐蚀性能的影响。
基于上述分析,针对 MEMS 系统用平面微弹簧研究现状,本文拟采用大塑性 变形强化坯料利用精密蚀刻(光刻+金属蚀刻)的方法制备出高强度的平面微型 弹簧。通过大塑性变形制备坯料,研究晶粒细化对金属耐腐蚀性能的影响,探索 新的光刻与金属蚀刻工艺,为获得高性能的平面微弹簧及其质量控制提供技术基 础。
2 实验材料与实验方法
2.1 材料的选择
目前用于制作平面微型弹簧的材料主要分成两大类,硅质和非硅质。硅质微 弹簧具有良好的机械性能和电性能,但在诸如冲击环境等需要弹性力较大的情况 容易发生破碎。金属则具有良好的延展性、机械强度及抗疲劳性能等,可以提供 良好的应力应变和抗疲劳性能,微弹簧在较大的拉力下可以产生预期的效果。
根据有关资料,铜在金属蚀刻中的侧向腐蚀较小,考虑到平面微型弹簧的成 形质量,本实验选取了 T2 紫铜作为制作平面微型弹簧的材料。
T2 紫铜有良好的导电、导热、耐蚀和加工性能,可以焊接和钎焊。降低导 电导热性的杂质较少,微量的氧对导电导热和加工等性能影响不大,但易引起“氢 病”,不宜在高温(大于 370℃)还原性气氛中加工(退火、焊接等)和使用。 根据 GB/T 2059-2008 其抗拉强度 Rm 大于 195MPa。根据 GB/5231-2001