微惯性开关制作过程中界面结合强度研究

杜立群; 孔德健; 王帅; 蔡小可; 郭柄江

doi:10.37188/OPE.20233110.1464

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微惯性开关制作过程中界面结合强度研究

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2023-05-25

- 微惯性开关制作过程中界面结合强度研究
- Study on interfacial bonding strength during fabrication of micro inertial switch
- 光学精密工程 2023年31卷第10期页码：1464-1474
- 作者机构：
  
  1.大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室，辽宁大连116024
  2.大连理工大学辽宁省微纳米系统重点实验室，辽宁大连116024
- 作者简介：
  
  [ "杜立群（1966-），女，黑龙江望奎人，博士，教授，博士生导师，分别于1988年、1991、1999年在东北大学获得学士、硕士、博士学位，2002年在日本名古屋大学从事博士后研究，主要研究方向为 UV-LIGA 技术、微纳加工技术制造等。E-mail：duliqun@dlut.edu.cn" ]
  [ "孔德健（1997-），男，辽宁阜新人，硕士研究生，2020年于大连交通大学获得学士学位，主要研究方向为微机电系统与UV-LIGA 技术。E-mail：k1142027444@163.com" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2022YFB4601602);国家自然科学基金资助项目(51975103)
- DOI：10.37188/OPE.20233110.1464
  中图分类号： TG111.4;TP212
- 收稿日期：2022-11-29，
  
  修回日期：2023-01-07，
  
  纸质出版日期：2023-05-25
- 稿件说明：
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杜立群,孔德健,王帅等.微惯性开关制作过程中界面结合强度研究[J].光学精密工程,2023,31(10):1464-1474.

DU Liqun,KONG Dejian,WANG Shuai,et al.Study on interfacial bonding strength during fabrication of micro inertial switch[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(10):1464-1474.
杜立群,孔德健,王帅等.微惯性开关制作过程中界面结合强度研究[J].光学精密工程,2023,31(10):1464-1474. DOI： 10.37188/OPE.20233110.1464.

DU Liqun,KONG Dejian,WANG Shuai,et al.Study on interfacial bonding strength during fabrication of micro inertial switch[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(10):1464-1474. DOI： 10.37188/OPE.20233110.1464.

摘要

在利用微电铸工艺制作惯性开关的过程中，经常会出现由于界面结合强度低而引起的铸层翘起问题。微电铸层与基板的界面结合强度低会降低微开关的制作成品率、延长制作周期、增加制作成本。针对这一问题，本文从界面钝化膜的角度，采用了“电解活化去除钝化膜”和“引入Cu过渡层”的方法。为探究钝化膜对界面结合强度的影响，通过Materials Studio软件对不同钝化膜去除率模型的界面结合能进行仿真计算，计算结果表明钝化膜去除率越高越有利于界面结合强度的提高，在完全去除钝化膜后界面结合强度提高了197%；为探究过渡金属对界面结合强度的影响，分别以Cu，Cr，Ti作为过渡层，与不锈钢基板和镍铸层建立结合层体系，计算体系的结合能，计算结果表明Cu与基板、Cu与铸层的结合能最高，与未引入过渡金属相比，引入Cu后界面结合强度提高了81%。在仿真研究结果的基础上，开展了电解活化实验，通过电解活化法去除了基板表面的钝化膜，实验结果表明：电解活化区域铸层的界面结合强度明显高于未活化区域铸层的界面结合强度；同时开展了铜过渡层实验，对比了有无Cu过渡层的界面结合强度，实验结果表明：引入Cu后，铸层的界面结合强度明显提高。在上述仿真和实验结果的基础上，制作出尺寸为23 mm×20 mm、总高度为900 μm的微惯性开关。

Abstract

During the fabrication of inertial switches via micro-electroforming， casting layer warping is frequently encountered owing to the low bonding strength at the interface. Such low bonding strength between the micro-electrocasting layer and substrate is expected to reduce the production yield and prolong the production cycle while increasing production costs. To address this problem， in this paper， methods that involve "removing a passivated film using electrolytic activation" and "introducing a Cu transition layer" are proposed from an interface passivated film perspective. To explore the impact of the passivation film on the interface binding strength， the interface binding energies of different passivation film removal models are simulated using the Materials Studio software. The calculation results reveal that the higher the passivation film removal rate， the better the interface binding strength. The interface binding strength increases by 197% after the passivation film is completely removed. To examine the influence of transition metals on the interface binding strength， Cu， Cr， and Ti are used as transition layers to establish a bonding layer system with a stainless-steel substrate and nickel cast layer， and the binding energy of the system is determined. The calculation results reveal that the binding energy between Cu and the substrate， as well as between Cu and the cast layer， is higher. The interfacial bonding strength increases by 81% with the introduction of Cu compared to that without the introduction of the transition metal. Based on the simulation results， electrolytic activation experiments are conducted to remove the passivated film from the substrate surface using electrolytic activation. The experimental results indicate that the interfacial bonding strength of the cast layer in the electrolytic activation zone is significantly higher than that in the non-activated zone. Simultaneously， a similar Cu transition layer experiment is conducted， and it demonstrates that the interface bonding strength of the cast layer is significantly improved after introducing the Cu transition layer. Based on the aforementioned simulation and experimental results， a micro inertial switch with a size of 23 × 20 mm and a total height of 900 μm is fabricated.

关键词

Keywords

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任超，刘峰华，付博，等 . MEMS惯性开关的原理及研究进展［J］. 测控技术， 2021 ， 40 （ 11 ）： 16 - 32 .

REN CH ， LIU F H ， FU B ， et al . Principle and recent progress of MEMS inertial switch ［J］. Measurement & Control Technology ， 2021 ， 40 （ 11 ）： 16 - 32 . （in Chinese）

WANG F F ， LOU W ZH ， LIU F Y ， et al . The buckling simulation of planar W-form micro-spring in MEMS safety and arming device ［J］. Key Engineering Materials ， 2015 ， 645/646 ： 796 - 799 . doi: 10.4028/www.scientific.net/kem.645-646.796 http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/kem.645-646.796

明平美，朱荻，胡洋洋，等 . UV-LIGA技术制备微型柔性镍接触探针［J］. 光学精密工程， 2007 ， 15 （ 5 ）： 735 - 740 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2007.05.019 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2007.05.019

MING P M ， ZHU D ， HU Y Y ， et al . Fabrication of nickel soft contact microprobe based on UV-LIGA ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2007 ， 15 （ 5 ）： 735 - 740 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2007.05.019 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2007.05.019

GERSON Y ， SCHREIBER D ， GRAU H ， et al . Meso scale MEMS inertial switch fabricated using an electroplated metal-on-insulator process ［J］. Journal of Micromechanics and Microengineering ， 2014 ， 24 （ 2 ）： 25008 . doi: 10.1088/0960-1317/24/2/025008 http://dx.doi.org/10.1088/0960-1317/24/2/025008

赵忠 . 提高微电铸层与金属基底界面结合性能的机理与方法［D］. 大连：大连理工大学， 2016 .

ZHAO ZH . Investigation on the Mechanism and Methods of Improving Interface Adhesion between Micro Electroforming Layer and Metal Substrate ［D］. Dalian ： Dalian University of Technology ， 2016 . （in Chinese）

MONTEIRO F J ， BARBOSA M A ， ROSS D H ， et al . Pretreatments of improve the adhesion of electrodeposits on aluminium ［J］. Surface and Interface Analysis ， 1991 ， 17 （ 7 ）： 519 - 528 . doi: 10.1002/sia.740170720 http://dx.doi.org/10.1002/sia.740170720

杨雨风 . Cu-Cu及Cu-Al的电镀Ni低温连接界面及连接强度的研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2017 . doi: 10.1109/icept.2017.8046712 http://dx.doi.org/10.1109/icept.2017.8046712

YANG Y F . Interfacial Microstructure and Joint Strength of the Cu-Cu and Cu-Al Joints Processed by Low-temperature Ni Electroplating ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2017 . （in Chinese） . doi: 10.1109/icept.2017.8046712 http://dx.doi.org/10.1109/icept.2017.8046712

陶金，朱增伟 . 阳极电解活化前处理的电流密度对304不锈钢电镀镍结合力的影响［J］. 电镀与涂饰， 2020 ， 39 （ 11 ）： 679 - 684 . doi: 10.19289/j.1004-227x.2020.11.002 http://dx.doi.org/10.19289/j.1004-227x.2020.11.002

TAO J ， ZHU Z W . Effect of current density during anodic electrolytic activation as a pretreatment for 304 stainless steel substrate on adhesion of nickel coating subsequently electroplated thereon ［J］. Electroplating & Finishing ， 2020 ， 39 （ 11 ）： 679 - 684 . （in Chinese） . doi: 10.19289/j.1004-227x.2020.11.002 http://dx.doi.org/10.19289/j.1004-227x.2020.11.002

宋博，隋智通，翁占坤，等 . 提高铝合金上电镀镍层结合强度的研究［J］. 表面技术， 2003 ，（ 1 ）： 25 - 27 . doi: 10.3969/j.issn.1001-3660.2003.01.008 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-3660.2003.01.008

SONG B ， SUI ZH T ， WENG ZH K ， et al . Study on improving bonding strength of electroplated nickel layer on aluminum alloy ［J］. Surface surface technology ， 2003 ，（ 1 ）： 25 - 27 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-3660.2003.01.008 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-3660.2003.01.008

FREIRE L ， CARMEZIM M J ， FERREIRA M G S ， et al . The passive behaviour of AISI 316 in alkaline media and the effect of pH： a combined electrochemical and analytical study ［J］. Electrochimica Acta ， 2010 ， 55 （ 21 ）： 6174 - 6181 . doi: 10.1016/j.electacta.2009.10.026 http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2009.10.026

胡洋洋，朱荻，李寒松，等 . UV-LIGA制作超高微细阵列电极技术［J］. 光学精密工程， 2010 ， 18 （ 3 ）： 670 - 676 .

HU Y Y ， ZHU D ， LI H S ， et al . Fabrication of ultra-high metal micro electrode array using UV-LIGA technology ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2010 ， 18 （ 3 ）： 670 - 676 . （in Chinese）

刘瑞霞，郭锋，韩海鹏 . 铬过渡层对氮化铬/镁合金膜基界面结合强度的影响［J］. 金属热处理， 2021 ， 46 （ 1 ）： 143 - 148 . doi: 10.13251/j.issn.0254-6051.2021.01.027 http://dx.doi.org/10.13251/j.issn.0254-6051.2021.01.027

LIU R X ， GUO F ， HAN H P . Effect of chromium transition layer on interface bonding strength between chromium nitride film and magnesium alloy substrate ［J］. Heat Treatment of Metals ， 2021 ， 46 （ 1 ）： 143 - 148 . （in Chinese） . doi: 10.13251/j.issn.0254-6051.2021.01.027 http://dx.doi.org/10.13251/j.issn.0254-6051.2021.01.027

LIU M ， BAI L ， DENG Y Q . Facilitating strong interfacial bonding of immiscible Nb/Cu system using consumable Ti interlayer ［J］. Vacuum ， 2022 ， 197 （ 2022 ）： 110782 .

杨班权，陈光南，张坤，等 . 涂层/基体材料界面结合强度测量方法的现状与展望［J］. 力学进展， 2007 ， 37 （ 1 ）： 67 - 79 . doi: 10.3321/j.issn:1000-0992.2007.01.010 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1000-0992.2007.01.010

YANG B Q ， CHEN G N ， ZHANG K ， et al . A review on measurement methods for interfacial bonding strength between coating and substrate ［J］. Advances in Mechanics ， 2007 ， 37 （ 1 ）： 67 - 79 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1000-0992.2007.01.010 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1000-0992.2007.01.010

张立国，陈迪，杨帆，等 . SU-8胶光刻工艺研究［J］. 光学精密工程， 2002 ， 10 （ 3 ）： 266 - 270 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2002.03.009 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2002.03.009

ZHANG L G ， CHEN D ， YANG F ， et al . Research on SU-8 resist photolithography process ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2002 ， 10 （ 3 ）： 266 - 270 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2002.03.009 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2002.03.009

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