磁場條件下高深寬比微細電鑄液相傳質機理研究.pdf

1、微機電系統(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是當今科學研究的前沿領域之一，具有突出的經濟潛力和重要的戰略地位。在面向MEMS微結構與零件的諸多微細加工技術中，微細電鑄以復制精度高、工藝柔性好、易于加工三維微結構而具有廣泛的應用前景。然而，由微細電鑄所實施沉積空間的狹小性所導致的液相傳質受限問題常使電鑄件出現多種沉積缺陷，影響了微細電鑄技術的優質發展。盡管國內外學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。
　　把微細電鑄工藝置于強磁場中以期利用該環境下獨特的磁效應（如 MHD效應、磁梯度效應等）解決上述難題，是一種創新思路。我們課題組前期的理論與試驗研究已證實：MHD效應液相傳質支配下的微細電鑄件針孔缺陷少，形貌質量好。但其中所涉及的傳質機理尚未得到清晰探明。并在此基礎上，如何進一步實現MHD驅動液相傳質的最佳化，更需深入研究。為此，本文在深入分析微細電鑄傳質機理與受限因素的基礎上，并基于該電沉積環境下自然對流

3、存在的必然性及其與重力的密切關聯性，數值分析與實驗觀測研究了磁場作用下電沉積微空間內的流速大小、流場特性及其與磁場作用方向、微空間幾何特征、自然對流等因素間的內在關聯性，探明其傳質機理，并進行了工藝試驗驗證。主要研究內容如下：
　　(1)概述了微細電鑄技術存在的問題以及研究現狀，分別總結了磁電化學沉積技術和MHD微流體控制技術的研究成果。
　　(2)針對傳質受限難題，理論探討了磁場與電鑄時的電場耦合所產生的洛倫茲力對微空間電

4、解液傳質的強化作用，并根據MHD微流體控制理論、微流體觀測技術以及微細電鑄技術，數值分析了微電沉積空間電解液速度分布，且通過設計的微流體觀測實驗進行了驗證。結果表明：電鑄開始時，電遷移、擴散與外部流場共同促使微空間電解液開始微弱運動；隨后，垂直于帶電粒子運動方向的洛倫茲力開始作用使電解液渦流運動，最終形成穩定的磁致對流。當考慮自然對流時，隨著電鑄過程的進行，傳質受限必然導致陰極面附近電解液與本體電解液之間出現密度差，受到豎直向下的重力作

5、用。此時，電解液受到方向不同的兩個力，在陰極面附近運動比較紊亂，速度反而小于磁致對流主導下的電解液流速。因此，存在磁致對流且自然對流可忽略時與無磁致對流且自然對流不可忽略時的兩種情況下，陰極面附件電解液流速相對較大。
　　(3)在數值模擬與微流場觀測的基礎上進行了高深寬比微細電鑄工藝檢驗。首先設計了磁微細電鑄試驗裝置，然后根據微細電鑄工藝流程開展了電鑄試驗。結果發現：相比于無磁場且自然對流不可忽略時獲得的電鑄件，磁場作用下且自然對