吳軍民a,　湯學華b

（上海電機學院a.汽車學院； b.機械學院，上海200245）

摘　要：研究了一種電磁型射頻（RF）微機電系統（MEMS）開關的軟磁懸臂梁的制備工藝。為了得到適合MEMS器件應用的鎳鐵合金磁性薄膜，展開微電鍍工藝分析，采用振動樣品磁強計測量鎳鐵合金薄膜的磁參量。實驗結果：最大相對磁導率約為460,薄膜矯頑力約為490 A/m,飽和磁感應強度約為0.9 T,剩磁感應強度為0.03~0.06 T。此結果為開關結構設計優化提供了依據。

關鍵詞：微機電系統；懸臂梁；鎳鐵；電鍍；振動樣品磁強計

中圖分類號：TQ 153.2

文獻標識碼：A

文章編號　2095-0020（2010）04-0193-04

基于微機電系統（MicroelectromechanicalSystem, MEMS）技術的電磁型器件，特別是采用軟磁薄膜功能材料的電磁器件，如電磁MEMS開關等，因其工藝復雜而發展滯后。其中，電磁MEMS器件的發展落后于其他類型的MEMS器件，主要在于磁性薄膜材料的微加工工藝標準化程度低，磁性薄膜的形貌和磁性能容易受其他MEMS工藝步驟的影響。本文主要對射頻（Radio Frequency, RF）微機MEMS開關軟磁懸臂梁的制備工藝進行研究。

在MEMS工藝中，通過電沉積方法獲得厚度較大的薄膜已經比較普遍[1]。將電鍍沉積方法應用在MEMS工藝中，可以快速和準確地獲得比較厚的金屬或合金薄膜[2]。應用于MEMS器件中的微電鍍與以防腐和美觀為目的的普通電鍍原理一樣，同屬于電化學范疇，除膜厚度不受限制外，它還具有生產周期短、設備簡單、易于操作等優點，可以大大降低MEMS工藝薄膜沉積的成本，有利于產業化。

1　軟磁材料選擇及微電鍍基本原理

目前，軟磁薄膜材料主要分為3類：晶體材料、非晶態材料和納米晶材料。非晶態和納米晶軟磁合金具有軟磁性、耐蝕性、耐磨性、高硬度、高強度和高電阻率等優點[3]。但它們的生產一般采用液態急冷技術，與MEMS工藝不兼容。物理氣相沉積（PVD）中的磁控濺射法已成為制造磁性單層膜和復合多層膜的重要技術手段，其優點在于可嚴格控制薄膜中各種成分及其含量比例，但工藝設備復雜，生產成本高，并且膜厚受磁控濺射原理限制，靶材有限。在晶體材料中，鎳鐵合金具有相對磁導率高，矯頑力極小，磁致伸縮系數和磁各向異性系數接近零等優點，特別適合電磁MEMS器件要求的高精度、高分辨率以及微型化等特點[4-6]。

在鎳鐵合金微電鍍中，把待鍍的有光刻膠圖形基片作為陰極，陽極材料可為鎳鐵合金或者采用雙陽極的方式，即一個鐵陽極和一個鎳陽極。與普通電鍍不同的是，微電鍍是在光刻后的圖形槽中填充還原后的金屬，故金屬離子是否能夠均勻地在待鍍圖形中傳輸是微電鍍薄膜質量優劣的關鍵。圖1所示為微電鍍鎳鐵合金薄膜的工作原理。在微電鍍溶液中，除圖1中所示的主要參與電鍍的離子外，還包含一些添加劑，主要是為了改善鍍層的質量。

2　實驗系統及鍍液配方

2.1　微電鍍實驗設備

通過對微電鍍工作原理的分析，根據基底特點，要想達到比較好的成膜效果，除電鍍設備外，還需微電鍍實驗的輔助設備，如圖2所示。電鍍設備選用上海辰華的電化學工作站CHI660C,陰、陽極采用專門的電極支架固定，用加熱器直接加熱電鍍槽，進行磁力攪拌。

2.2　電鍍溶液配方

微電鍍溶液的配比是在文獻[7]中列出的配方基礎上改進的，如表1所示。配方的調整主要從微電鍍容易出現問題的角度出發，著重對絡合劑的添加和減輕析氫反應進行研究。

糖精鈉（C7H4O3NSNa·2H2O）作為添加劑，主要起到光亮作用，在鎳鐵電沉積中很常用。在光亮鎳鐵合金鍍液中，硫酸亞鐵即二價鐵離子（Fe2+）是光亮鎳鐵合金鍍層的主鹽之一，而Fe2+在鍍液中極不穩定，且易被溶于鍍液中的氯所氧化，變成Fe3+,導致沉積層脆性增加，機械性能下降，故要嚴格掌握鍍液中Fe3+的濃度。檸檬酸鈉（Na3C6H5O7·2H2O）是常用的絡合劑，可起到調節溶液pH值的效果。隨著微電鍍時間的增加，溶液的pH值會逐漸上升，故添加時也要考慮pH值的變化。表1中，Na3C6H5O7·2H2O所示的量為總的添加量，通過多次的實驗摸索，本溶液1 L配方添加量為0.5 g,為避免鍍液pH值突然下降，在觀測pH值上升時，逐量多次添加，既起到絡合作用，又不至于顯著影響pH值。

2.3　析氫反應及解決方案

在鎳或者鎳鐵電沉積過程中，鎳的標準電極電位比氫的低，氫原子比鎳原子先得到電子，以氣態析出，從而析氫反應是電沉積單金屬鎳和鎳鐵合金過程中不可避免的現象。析氫反應對電沉積金屬層造成的影響，表面上看會在鑄層表面有針孔和麻點，對薄膜性能的影響則是產生氫脆現象，降低鑄層韌性。特別在鎳電鍍中，針孔和麻點會導致被電鍍的材料表面沒有完全被鎳覆蓋，局部抗腐蝕能力下降。

對于MEMS結構，其圖形尺寸一般都在微米量級，析氫反應嚴重時，氫氣泡附著在陰極表面，氣泡的直徑與微電鑄圖形的尺寸不相上下，造成大量被氫氣泡附著的單元失效，實際成品率大大下降。陰極附近的氫氣析出導致其附近的pH值升高，引起電流效率下降，鎳離子的還原反應變慢，使析氫反應加強，從而進一步導致局部pH值上升，形成惡性循環。因此，特別注意觀察陰極上是否有氣泡附著，要及時根據情況改善。

在研究中，出現了在其他微電鍍參數不變的前提下，陰極尺寸變大，導致析氫反應嚴重的現象，解決方案是增加攪拌，陰極適當均勻攪拌可以使局部pH值變化更均勻，從而減輕析氫反應。溶液中十二烷基硫酸鈉（NaC12H2SO4），又稱潤濕劑，可以防止鍍層產生針孔、麻點，并可使溶液界面張力降低，氫氣泡難以在陰極表面停留，從而降低析氫反應的發生[8]。

3　微電鍍及實驗結果分析

3.1　微電鍍基本過程和參數分析

本文設計的電磁型RF MEMS采用微帶線傳輸方式，鎳鐵合金懸臂梁及信號傳輸結構示意圖如圖3所示。

根據電化學原理，電化學沉積必須發生在金屬導電種子層上。在MEMS工藝中一般采用以下基本工藝流程：①在基片上濺射過渡層材料Ti/Au,厚度為50~150 nm;②涂厚膠AZ4620,厚度為25μm,光刻待鍍圖形；③采用上述微電鍍裝置和溶液配方進行微電鍍；④去除光刻膠。以下重點對微電鍍過程和參數進行分析研究。

在微電鍍之前，電化學工作站CHI660C設置為恒電流模式，采用雙電極工作方式。通過反復實驗，獲得以下參數：陰極電流密度為4 A/m2,pH值控制在3.5~3.7,溫度設為63℃[8],實際測溫時有2℃以內的誤差，攪拌速度為25~35 r/min。在此參數下，可以獲得表面粗糙度比較低、一致性好、內應力小的鎳鐵合金薄膜，通電共70 min,獲得約22μm的鎳鐵合金薄膜。圖4所示為鎳鐵合金薄膜表面形貌顯微鏡圖，其圖形尺寸為700μm×180μm,光學顯微鏡放大倍數為250倍，其中，物鏡和目鏡的放大倍數分別為25、10倍。由圖4可見，圖形表面大體平整，但仍然有少量小的針孔、麻點以及裂紋，未來需要進一步改進電鍍工藝，盡量消除麻點以及裂紋。

3.2　實驗結果分析

采用振動樣品磁強計（Vibrating SampMagnetometer, VSM）對微電鍍的鎳鐵合金薄膜進行磁參量的測量。為保證測試能夠體現本次微電鍍的效果，方便測試操作，特別制作樣品圖形圖形尺寸約3 mm×3 mm。采用一組不同的外加磁場強度起始點，外加磁場范圍約從4 ~477 kA/m（50~6 000Oe），共測得13條磁滯回線。將這些不同起點的磁滯回線定點相連，即可得到薄膜材料的磁化曲線，其中，最大相對磁導率約為460,薄膜矯頑力約為490 A/m,飽和磁感應強度約為0.9 T,剩磁感應強度為0.03~0.06 T這些參數與文獻[9]列出的相對磁導率為500~1 000、矯頑力為80~400 A/m、飽和磁感應強度為0.9~1.08 T等相比略遜，還有待提高。

4　結　語

本文對RF MEMS開關的軟磁懸臂梁微電鍍工藝進行研究，通過分析選用晶體材料鎳鐵合金作為懸臂梁軟磁材料。在分析微電鍍原理的基礎上，從影響微電鍍成品率角度出發，進行了鍍液的配比和微電鍍實驗，并對改善鍍層質量進行研究。采用振動樣品磁強計對微電鍍薄膜樣品進行磁參量測量，對比國外先進水平，還略有差距，今后工作重點將研究如何提高鎳鐵合金薄膜的磁參量性能。

參考文獻：

[ 1 ]付　世，丁桂甫，王　艷。一種新型雙穩態微機電系統電磁微繼電器的研制[J].上海交通大學學報，2006,40（11）： 1947-1950,1954.

[ 2 ]劉仁志。實用電鑄技術[M].北京：化學工業出版社，2006: 87.

[ 3 ]趙見高，島田寬。微磁器件與軟磁薄膜[J].金屬功能材料，1995,2（3）： 90-94.

[ 4 ]劉本東，李德勝。微機械繼電器的研究及進展[J].微納電子技術，2007,44（2）： 88-92,110.

[ 5 ]Ji C H, Yee Y J, Choi J H, et al. Electromagnetic2×2 MEMS

optical switch[J]. IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum

Electronics, 2004,10（3）： 545-550.

[ 6 ]Huang Zhilin, Shen Jun. Latching micromagneticoptical switch[J].

Journal of Microelectromechani-cal Systems, 2006,15（1）： 16-23.

[ 7 ]曾華梁，吳仲達，陳鈞武，等。電鍍工藝手冊[M].2版。北京：機械工業出版社，1997: 341.

[ 8 ]肖日松，杜立群，劉海軍，等。微電鑄的析氫現象研究[J].中國機械工程，2005,16（Suppl）： 446-448.

[ 9 ]Taylor W P, Schneider M, Baltes H, et al. Elec-troplated soft

magnetic materials for microsensorsand microactuators[C]//1997

International Confer-ence on Solid-State Sensors and Actuators.

Chica-go, USA: IEEE, 1997: 1445-1448.