磁場(chǎng)條件下高深寬比微細(xì)電鑄液相傳質(zhì)機(jī)理研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是當(dāng)今科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域之一，具有突出的經(jīng)濟(jì)潛力和重要的戰(zhàn)略地位。在面向MEMS微結(jié)構(gòu)與零件的諸多微細(xì)加工技術(shù)中，微細(xì)電鑄以復(fù)制精度高、工藝柔性好、易于加工三維微結(jié)構(gòu)而具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，由微細(xì)電鑄所實(shí)施沉積空間的狹小性所導(dǎo)致的液相傳質(zhì)受限問題常使電鑄件出現(xiàn)多種沉積缺陷，影響了微細(xì)電鑄技術(shù)的優(yōu)質(zhì)發(fā)展。盡管國內(nèi)外學(xué)者為此展開了大量的研究，但這一難題

2、仍沒有得到很好解決。
　　把微細(xì)電鑄工藝置于強(qiáng)磁場(chǎng)中以期利用該環(huán)境下獨(dú)特的磁效應(yīng)（如 MHD效應(yīng)、磁梯度效應(yīng)等）解決上述難題，是一種創(chuàng)新思路。我們課題組前期的理論與試驗(yàn)研究已證實(shí)：MHD效應(yīng)液相傳質(zhì)支配下的微細(xì)電鑄件針孔缺陷少，形貌質(zhì)量好。但其中所涉及的傳質(zhì)機(jī)理尚未得到清晰探明。并在此基礎(chǔ)上，如何進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)MHD驅(qū)動(dòng)液相傳質(zhì)的最佳化，更需深入研究。為此，本文在深入分析微細(xì)電鑄傳質(zhì)機(jī)理與受限因素的基礎(chǔ)上，并基于該電沉積環(huán)境下自然對(duì)流

3、存在的必然性及其與重力的密切關(guān)聯(lián)性，數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)研究了磁場(chǎng)作用下電沉積微空間內(nèi)的流速大小、流場(chǎng)特性及其與磁場(chǎng)作用方向、微空間幾何特征、自然對(duì)流等因素間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，探明其傳質(zhì)機(jī)理，并進(jìn)行了工藝試驗(yàn)驗(yàn)證。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　(1)概述了微細(xì)電鑄技術(shù)存在的問題以及研究現(xiàn)狀，分別總結(jié)了磁電化學(xué)沉積技術(shù)和MHD微流體控制技術(shù)的研究成果。
　　(2)針對(duì)傳質(zhì)受限難題，理論探討了磁場(chǎng)與電鑄時(shí)的電場(chǎng)耦合所產(chǎn)生的洛倫茲力對(duì)微空間電

4、解液傳質(zhì)的強(qiáng)化作用，并根據(jù)MHD微流體控制理論、微流體觀測(cè)技術(shù)以及微細(xì)電鑄技術(shù)，數(shù)值分析了微電沉積空間電解液速度分布，且通過設(shè)計(jì)的微流體觀測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：電鑄開始時(shí)，電遷移、擴(kuò)散與外部流場(chǎng)共同促使微空間電解液開始微弱運(yùn)動(dòng)；隨后，垂直于帶電粒子運(yùn)動(dòng)方向的洛倫茲力開始作用使電解液渦流運(yùn)動(dòng)，最終形成穩(wěn)定的磁致對(duì)流。當(dāng)考慮自然對(duì)流時(shí)，隨著電鑄過程的進(jìn)行，傳質(zhì)受限必然導(dǎo)致陰極面附近電解液與本體電解液之間出現(xiàn)密度差，受到豎直向下的重力作

5、用。此時(shí)，電解液受到方向不同的兩個(gè)力，在陰極面附近運(yùn)動(dòng)比較紊亂，速度反而小于磁致對(duì)流主導(dǎo)下的電解液流速。因此，存在磁致對(duì)流且自然對(duì)流可忽略時(shí)與無磁致對(duì)流且自然對(duì)流不可忽略時(shí)的兩種情況下，陰極面附件電解液流速相對(duì)較大。
　　(3)在數(shù)值模擬與微流場(chǎng)觀測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了高深寬比微細(xì)電鑄工藝檢驗(yàn)。首先設(shè)計(jì)了磁微細(xì)電鑄試驗(yàn)裝置，然后根據(jù)微細(xì)電鑄工藝流程開展了電鑄試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：相比于無磁場(chǎng)且自然對(duì)流不可忽略時(shí)獲得的電鑄件，磁場(chǎng)作用下且自然對(duì)