基于LIGA工藝的微齒輪誤差特點

代 俊,石庚辰

(機電工程與控制國家級重點實驗室北京分部,北京 100081)

0 引言

LIGA技術是MEMS(微機電系統)領域里的一種加工工藝,目前應用于引信安全系統的加工工藝主要有體硅工藝、LIGA(準 LIGA)工藝[1]。LIGA工藝可加工金屬材料,加工精度高、加工厚度大、深寬比大,且加工出的零件側壁垂直度好,表面平整,其加工出的零件的厚度可達到1 mm[2]。現已經用于加工引信片狀零件、微齒輪等。

微齒輪具有體積小,傳動緊湊等優點,其應用廣泛,如在航天航空的微型衛星,以及在微型機器人中實現運動轉換等功能[3]。使用LIGA技術加工微齒輪具有良好前景。

如同傳統的機械加工技術,LIGA加工工藝也不可避免地存在誤差,并且不同加工方法有不同的特點。誤差的檢測與分析,對LIGA加工的微齒輪的公差標準制定和設計至關重要。然而在MEMS領域,未見誤差特點的研究文獻。為此,本文采用Veeco光學輪廓儀對采用LIGA制造工藝加工的微型齒輪進行誤差檢測。

1 LIGA加工微齒輪的工藝過程

本文以中科院微電子所的掩膜版制造工藝和中科院高能所的工藝過程和工藝水平為依據,微齒輪由設計圖紙[4]到最后的零件需經歷的流程見圖1。

如圖1所示,一般由設計人員給出CAD設計圖紙,應用Link CAD軟件將其轉化為制造掩膜版所需的GDSII格式文件(在L-edit軟件中打開),利用電子束系統將圖形繪制到電子敏感材料上制成掩膜版[5],再經過光刻、顯影、電鑄、磨削和去光刻膠等過程[6]最終制成微齒輪。

圖1 LIGA技術加工微齒輪流程Fig.1 The manufacturing process of micro-gear based on LIGA technology

2 誤差檢測方法與檢測項目

2.1 檢測方法

對按傳統方法加工的計時儀器用齒輪,一般采用投影樣板法進行檢測,即將齒輪放大100倍或50、20、10倍投影樣板,再與設計圖紙進行比對檢測。

本文參照傳統檢測方法檢測微齒輪和微齒輪孔的掩膜版和零件,圖2和圖3分別為微齒輪和微齒輪孔的實物放大圖。首先采用Veeco光學輪廓儀檢測微齒輪和微齒輪孔的掩膜版和零件,得出微齒輪和微齒輪孔的二維輪廓,如圖4和圖5所示,再對輪廓圖進行采樣,將采樣所得的數據(相當于零件的投影)和原始設計圖紙(相當于樣板)輸入計算機,組成類似于投影樣板圖的采樣設計對比圖,再利用AutoCAD軟件的繪圖與測量功能,檢測微齒輪的誤差。檢測的樣本為6個微齒輪零件、6個微齒輪掩膜版圖形、6個微齒輪孔零件和6個微齒輪孔掩膜版圖形。

圖2 微齒輪實物放大圖Fig.2 Enlarged image of micro-gear

圖3 微齒輪孔實物放大圖Fig.3 Enlarged image of micro-gear hole

圖4 微齒輪二維輪廓圖Fig.4 Two-dimensional profile of micro-gear

圖5 微齒輪孔二維輪廓圖Fig.5 Two-dimensional profile of micro-gear hole

首先確定檢測中心。在傳統投影樣板法中,一般采用經過磨削加工后精度較高的中心孔作為檢測時的定位基準。本文所檢測的微齒輪由于尺寸較小,中心孔的相對誤差較大,齒頂較尖,齒頂圓數據點較少,因此采用尺寸相對較大、數據點較多的齒根圓作為檢測時的定位基準。調整齒根圓的位置,使得齒根圓上有效采樣點的最大偏差盡可能的小,得到的齒根圓的中心即檢測的中心A,如圖6所示。

圖6 確定檢測中心Fig.6 Determining the measuring center

其次確定檢測相位。確定檢測相位主要是確定采樣圖形的輪齒的中心線。如圖7所示,首先過定位中心 A和采樣所得的齒頂圓上的點G作直線AG,作為齒的初始中心線。利用AutoCAD中的樣條曲線連接一側齒上的采樣點,在齒的另一側上取兩個采樣點B和C,過采樣點B、C分別作與初始中心線垂直的直線并交樣條曲線于J和H,得兩線段BJ和CH;連接兩個線段的中點D和E,得另一線段DE,連接定位中心A與線段DE的中點F即得這個齒的中心線 AF。旋轉原始設計圖,使其上的一條中心線與得出的中心線平行,再將設計圖中心移至定位中心,即可得出采樣設計對比圖,如圖8所示。

圖7 確定檢測相位Fig.7 Determining the measuring phase

圖8 采樣設計對比Fig.8 Comparison of sample and design

2.2 微齒輪誤差檢測項目

由于本文中的微齒輪用于微型鐘表機構,可以參照計時儀器用齒輪來確定其檢測項目。

對于計時儀器用圓弧齒輪,其檢測項目主要有齒形誤差、齒厚偏差、齒距偏差、齒頂圓直徑偏差、齒根圓直徑偏差、齒頂圓徑向圓跳動、齒輪端面圓跳動和齒面粗糙度等。本文結合LIGA技術加工微齒輪的特點和檢測的設備條件,主要檢測齒頂圓半徑偏差、齒根圓半徑偏差、齒厚偏差、齒形誤差等。

對齒頂圓半徑偏差,其檢測方法如圖9所示。測量定位中心A與齒頂圓上采樣點之間的距離,即可得出每個齒的齒頂圓半徑,其與標準齒頂圓半徑的差值即為齒頂圓半徑偏差。

圖9 齒頂圓半徑偏差檢測Fig.9 Measurement of tip radius

對齒根圓半徑偏差,其檢測方法與齒頂圓半徑偏差類似。如圖10所示,只需測量定位中心與齒根圓半徑上有效采樣點之間的距離(對于同一段齒根圓上的數據點采用距離定位中心A上的最遠點)即可得出每段的齒根圓半徑,其與標準齒根圓半徑的差值即為齒根圓半徑偏差。

圖10 齒根圓半徑偏差檢測Fig.10 Measurement of root radius

齒厚偏差是指在分度圓柱面上,法面齒厚的實際值與公稱值之差。在本文中,齒厚偏差的測量方法如圖11所示。首先利用樣條曲線連接齒兩側的采樣數據點,再過定位中心做分度圓與樣條曲線相交,兩交點間的弧長即為齒厚的實際值,其與公稱齒厚的差值即為齒厚偏差。

圖11 齒厚偏差檢測Fig.11 Measurement of tooth thickness

齒形誤差是指在齒高工作部分內,包容實際齒形的兩條最近設計齒形間的法向距離,其測量方法如圖12所示[7]。

圖12 齒形誤差檢測Fig.12 Measurement of tooth profile

3 誤差檢測結果

通過檢測掩膜版和零件中的各個齒的偏差,得出上偏差、下偏差、偏差帶、偏差期望(整個樣本空間)和偏差方差等。其中上下偏差和偏差帶可為設計提供參考,偏差期望可以表征加工特點,偏差帶和偏差方差可用于表征工藝水平和加工的一致性。

3.1 齒頂圓半徑偏差

表1為齒頂圓半徑偏差的檢測結果。

由表1可知,對于微齒輪的齒頂圓半徑,掩膜版圖形尺寸和零件實際尺寸的偏差方向均為負向,但零件尺寸相對于掩膜版圖形尺寸的偏向為正向,其平均相對偏差為1.95μm。

表1 齒頂圓半徑偏差ΔRTab.1 Deviation of tip radiusΔR

對微齒輪孔的齒頂圓半徑,掩膜版圖形尺寸和零件實際尺寸的偏差方向均為負向,同時零件尺寸相對于掩膜版圖形尺寸的偏差方向也為負向,其平均相對偏差為-5.92μm。

表中微齒輪齒頂圓半徑的上偏差和微齒輪孔齒頂圓半徑的下偏差可以用作設計時的參考值。

3.2 齒根圓半徑偏差

表2為齒根圓半徑偏差的檢測結果。

表2 齒根圓半徑偏差ΔrTab.2 Deviation of root radiusΔr

由表2可知,對于微齒輪的齒根圓半徑,掩膜版圖形尺寸和零件實際尺寸的偏差方向均為負向,但零件尺寸相對于掩膜版圖形尺寸的偏向為正向,其平均相對偏差為2.92μm。

對微齒輪孔的齒根圓半徑,掩膜版圖形尺寸和零件實際尺寸的偏差方向均為負向,同時零件尺寸相對于掩膜版圖形尺寸的偏差方向也為負向,其平均相對偏差為-4.31μm。

表中微齒輪齒根圓半徑的上偏差和微齒輪孔齒根圓半徑的下偏差可用作設計時的參考值。

3.3 齒厚偏差

表3為齒厚偏差的檢測結果。

由表3可知,在掩膜制造過程中,掩膜版上齒輪的齒厚偏差方向為負向,零件相對于掩膜的偏差方向為正方向,其平均值為4μm。

表3 齒厚偏差ΔSTab.3 Deviation of tooth thicknessΔS

掩膜版上齒輪孔的齒厚偏差方向為負向,零件相對于掩膜的偏差方向也為負方向,且偏差較大,其平均值為-7μm。

表中微齒輪的上偏差和微齒輪孔的下偏差可以用作設計時的參考值,建議設計復雜孔和軸的單邊余量為15μm。

3.4 齒形偏差

表4為齒形誤差的檢測結果。

表4 齒形誤差ΔfTab.4 Error of tooth profile

由表4可知,對于齒輪,掩膜版上齒形誤差大于零件的齒形誤差;對于齒輪孔,掩膜版上的齒形誤差小于零件的齒形誤差。

4 誤差特點及原因分析

4.1 誤差特點

微齒輪在掩膜版上表現為復雜腔體結構,經LIGA工藝加工后表現為復雜實體結構。微齒輪孔在掩膜版上表現為復雜實體結構,經LIGA工藝加工后表現為復雜腔體結構。齒頂圓半徑誤差和齒根圓半徑誤差為徑向尺寸誤差,齒形誤差和齒厚誤差均為周向尺寸誤差。

綜合表1與表2可知,加工微齒輪和微齒輪孔的掩膜版圖形的徑向尺寸的工藝水平和絕對誤差比較穩定,但加工微齒輪的徑向尺寸偏差大于微加工齒輪孔的偏差。

應用LIGA加工技術加工徑向尺寸,在一定的尺寸范圍內,加工小尺寸的偏差要小于加工大尺寸的偏差,加工尺寸越大,加工的一致性越差。

綜合表3和表4可知,對于掩膜版制造工藝,加工復雜腔體結構與實體結構的周向尺寸的一致性相近;對于LIGA加工工藝,加工復雜實體結構的周向尺寸的一致性要好于復雜腔體結構。

總的來說,應用LIGA工藝加工復雜腔體結構的難度要大于加工實體結構的難度,因此在設計時需要加以考慮。

4.2 誤差原因分析

通過對圖1工藝流程的分析可知,加工出的齒輪誤差的來源主要有三種,即軟件轉換誤差,掩膜版制造過程中的誤差,以及零件加工誤差。

根據誤差來源的分析,第3節中檢測出的掩模版誤差和零件加工誤差結果是可信的。

除此之外由于設計和加工過程中采用的軟件不同,設計中需要使用Auto CAD軟件進行復雜平面圖形的設計,而產生掩膜版圖形需要的是GDSII格式文件,因此需要應用Link CAD軟件進行數據間的轉換,在這一過程中將會產生誤差。在軟件轉換過程中所產生的誤差主要是由于AutoCAD,Link-CAD和L-edit三個軟件之間分辨率不同造成的,其誤差的檢測如圖13和圖14所示。通過檢測可知,其誤差在0.1μm左右。

圖13 軟件轉換誤差檢測Fig.13 Error testing of software conversion

圖14 軟件轉換誤差檢測局部放大圖Fig.14 Zoom to area of Fig2

5 結論

本文采用采樣設計對比法檢測了微型齒輪的齒頂圓半徑偏差、齒根圓半徑偏差、齒厚偏差和齒形誤差。對誤差進行的統計表明,LIGA工藝加工微齒輪和微齒輪孔的誤差偏向均為負向,且加工微齒輪孔的誤差要大于微齒輪,設計復雜孔和軸時預留的單邊余量應為15μm。分析表明,這些特點與加工方法導致的誤差產生原因是吻合的。

本文的檢測數據和結論可為采用中科院高能所LIGA工藝加工微齒輪的設計和仿真提供參考。

由于設備和技術條件限制,目前尚無法對LIGA加工的微齒輪和微齒輪孔進行快速批量檢測以制定微齒輪的公差標準。

因此,如何結合檢測設備開發出快速檢測微齒輪誤差的方法是亟待解決的問題。

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