磁場條件下高深寬比微細電鑄液相傳質(zhì)機理研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是當今科學研究的前沿領(lǐng)域之一，具有突出的經(jīng)濟潛力和重要的戰(zhàn)略地位。在面向MEMS微結(jié)構(gòu)與零件的諸多微細加工技術(shù)中，微細電鑄以復制精度高、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(zhì)受限問題常使電鑄件出現(xiàn)多種沉積缺陷，影響了微細電鑄技術(shù)的優(yōu)質(zhì)發(fā)展。盡管國內(nèi)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(huán)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(chuàng)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(zhì)支配下的微細電鑄件針孔缺陷少，形貌質(zhì)量好。但其中所涉及的傳質(zhì)機理尚未得到清晰探明。并在此基礎(chǔ)上，如何進一步實現(xiàn)MHD驅(qū)動液相傳質(zhì)的最佳化，更需深入研究。為此，本文在深入分析微細電鑄傳質(zhì)機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)值分析與實驗觀測研究了磁場作用下電沉積微空間內(nèi)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(nèi)在關(guān)聯(lián)性，探明其傳質(zhì)機理，并進行了工藝試驗驗證。主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)概述了微細電鑄技術(shù)存在的問題以及研究現(xiàn)狀，分別總結(jié)了磁電化學沉積技術(shù)和MHD微流體控制技術(shù)的研究成果。
　　(2)針對傳質(zhì)受限難題，理論探討了磁場與電鑄時的電場耦合所產(chǎn)生的洛倫茲力對微空間電

4、解液傳質(zhì)的強化作用，并根據(jù)MHD微流體控制理論、微流體觀測技術(shù)以及微細電鑄技術(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)計的微流體觀測實驗進行了驗證。結(jié)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(wěn)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(zhì)受限必然導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，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(shù)值模擬與微流場觀測的基礎(chǔ)上進行了高深寬比微細電鑄工藝檢驗。首先設(shè)計了磁微細電鑄試驗裝置，然后根據(jù)微細電鑄工藝流程開展了電鑄試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：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