1.1.2 目前微型弹簧的制作工艺

目前部分平面微弹簧采用传统的LIGA技术, 其材料采用紫外光固化的SU-8胶, 虽然这种工艺简单, 且SU-8胶可以提供类似于玻璃的力学性能, 如已报道的气动驱动微控制器[10]、微阀门[11]。当前在MEMS中应用的硅弹簧主要有:悬臂梁型、直脚型, 以及结构更复杂的硅弹簧[12,13]。有些平面微弹簧采用硅本体作为平面微弹簧的材料, 如一种应用于全光网的微电磁驱动MEMS可变光衰减器[14]。

以UV-LIGA技术进行金属微弹簧的加工制备为例, UV-LIGA技术是一种采用SU-8胶紫外深层光刻取代同步辐射光刻后获得SU-8胶模具, 然后通过金属的电铸进行三维微结构的加工和制备[15]。具体工艺见图1.2。

图1.2　微弹簧制备工艺路线[15]

1) 衬底制备、涂胶和前烘  为得到理想的效果，使用程控烘箱对SU-8胶进行逐步升温,这可以控制溶液挥发速度，改善SU-8胶与衬底的结合力。

2) 曝光和后烘　后烘同样采用逐步升温方法，并且在降温过程中注意避免骤冷现象发生，以减小光刻胶的应力，有利于后面的显影。

3) 显影　

4) 电铸、磨平、去胶和去牺牲层　用稀释的氢氟酸去除Ti牺牲层，得到所需的金属微弹簧器件。

1.2 金属合金材料在微弹簧设计的优势

SU-8胶或硅本体在所需弹性力较大时均没有金属的力学性能好，金属可以提供良好的应力应变和抗疲劳性能。因此, 用金属平面微弹簧可在较大的拉力下达到预想的效果，目前铜合金应用于平面微弹簧的研究还比较少见。铜合金是以铜为基体元素同时加入一种或几种合金元素组成的合金，具有以下优点[16]：

 优异的物理、化学性能。纯铜导电性、导热性极佳，铜合金的导电、导热性也很好。铜及铜合金对大气和水的抗蚀能力很高。铜是抗磁性物质。

 良好的加工性能。塑性很好，容易冷、热成形；铸造铜合金有很好的铸造性能。

 具有某些特殊机械性能。例如优良的减摩性和耐磨性(如青铜及部分黄铜)，高的弹性极限和疲劳极限(如铍青铜等)。

 色泽美观等。

 铜合金有较好的抗磁性，在微机械电子设备中利用铜合金制造平面微弹簧，可以很好地避免磁芯对于平面微弹簧的影响，避免平面微弹簧因磁芯作用磁化。而且，铜合金加工性能较好，塑性也较好，这减小了加工制造平面微弹簧的难度，而且高的塑性利于铜材挤压成平面微弹簧且不引起较大的缺陷和应力集中。铜合金对于大气和水的抗蚀能力、高的弹性极限和疲劳极限也保证了平面微弹簧较长的使用寿命。铜合金的铸造加工技术已经得到了较长时间的发展，相对来说也有了一定的技术基础进行制作平面微弹簧的制作。

1.3 DEFORM软件介绍

工件从设计到加工的过程中，单凭经验和反复的实物试验验证的传统锻件制造方法,已经远远不能适应降低成本、减少设计/生产周期、快速适应市场变化和增强市场竞争力的需要了。虚拟制造技术作为一项新技术正越来越受关注并越来越得到广泛应用，制造行业需要通过数值仿真工具，快速获得加工过程全方位、全过程的准确模拟，从而进一步优化加工工艺过程。

1.3.1 DEFORM软件简介

DEFORM是一套基于工艺模拟系统的有限元仿真系统（FEM），专门设计用于分析各种金属成形过程中的三维流动，提供极有价值的工艺分析数据，及有关成型过程中的材料和温度流动。典型的DEFORM应用包括锻造、挤压、镦头、轧制，自由锻、弯曲和其他成形加工手段。