基于LIGA工藝的微齒輪誤差特點(diǎn)

代 俊,石庚辰

(機(jī)電工程與控制國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京分部,北京 100081)

0 引言

LIGA技術(shù)是MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))領(lǐng)域里的一種加工工藝,目前應(yīng)用于引信安全系統(tǒng)的加工工藝主要有體硅工藝、LIGA(準(zhǔn) 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(cè)壁垂直度好,表面平整,其加工出的零件的厚度可達(dá)到1 mm[2]。現(xiàn)已經(jīng)用于加工引信片狀零件、微齒輪等。

微齒輪具有體積小,傳動(dòng)緊湊等優(yōu)點(diǎn),其應(yīng)用廣泛,如在航天航空的微型衛(wèi)星,以及在微型機(jī)器人中實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換等功能[3]。使用LIGA技術(shù)加工微齒輪具有良好前景。

如同傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù),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(diǎn)。誤差的檢測(cè)與分析,對(duì)LIGA加工的微齒輪的公差標(biāo)準(zhǔn)制定和設(shè)計(jì)至關(guān)重要。然而在MEMS領(lǐng)域,未見(jiàn)誤差特點(diǎn)的研究文獻(xiàn)。為此,本文采用Veeco光學(xué)輪廓儀對(duì)采用LIGA制造工藝加工的微型齒輪進(jìn)行誤差檢測(cè)。

1 LIGA加工微齒輪的工藝過(guò)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(guò)程和工藝水平為依據(jù),微齒輪由設(shè)計(jì)圖紙[4]到最后的零件需經(jīng)歷的流程見(jiàn)圖1。

如圖1所示,一般由設(shè)計(jì)人員給出CAD設(shè)計(jì)圖紙,應(yīng)用Link CAD軟件將其轉(zhuǎn)化為制造掩膜版所需的GDSII格式文件(在L-edit軟件中打開(kāi)),利用電子束系統(tǒng)將圖形繪制到電子敏感材料上制成掩膜版[5],再經(jīng)過(guò)光刻、顯影、電鑄、磨削和去光刻膠等過(guò)程[6]最終制成微齒輪。

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

2 誤差檢測(cè)方法與檢測(cè)項(xiàng)目

2.1 檢測(cè)方法

對(duì)按傳統(tǒng)方法加工的計(jì)時(shí)儀器用齒輪,一般采用投影樣板法進(jìn)行檢測(cè),即將齒輪放大100倍或50、20、10倍投影樣板,再與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行比對(duì)檢測(cè)。

本文參照傳統(tǒng)檢測(cè)方法檢測(cè)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(shí)物放大圖。首先采用Veeco光學(xué)輪廓儀檢測(cè)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(duì)輪廓圖進(jìn)行采樣,將采樣所得的數(shù)據(jù)(相當(dāng)于零件的投影)和原始設(shè)計(jì)圖紙(相當(dāng)于樣板)輸入計(jì)算機(jī),組成類(lèi)似于投影樣板圖的采樣設(shè)計(jì)對(duì)比圖,再利用AutoCAD軟件的繪圖與測(cè)量功能,檢測(cè)微齒輪的誤差。檢測(cè)的樣本為6個(gè)微齒輪零件、6個(gè)微齒輪掩膜版圖形、6個(gè)微齒輪孔零件和6個(gè)微齒輪孔掩膜版圖形。

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

圖3 微齒輪孔實(shí)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(cè)中心。在傳統(tǒng)投影樣板法中,一般采用經(jīng)過(guò)磨削加工后精度較高的中心孔作為檢測(cè)時(shí)的定位基準(zhǔn)。本文所檢測(cè)的微齒輪由于尺寸較小,中心孔的相對(duì)誤差較大,齒頂較尖,齒頂圓數(shù)據(jù)點(diǎn)較少,因此采用尺寸相對(duì)較大、數(shù)據(jù)點(diǎn)較多的齒根圓作為檢測(cè)時(shí)的定位基準(zhǔn)。調(diào)整齒根圓的位置,使得齒根圓上有效采樣點(diǎn)的最大偏差盡可能的小,得到的齒根圓的中心即檢測(cè)的中心A,如圖6所示。

圖6 確定檢測(cè)中心Fig.6 Determining the measuring center

其次確定檢測(cè)相位。確定檢測(cè)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(guò)定位中心 A和采樣所得的齒頂圓上的點(diǎn)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(cè)齒上的采樣點(diǎn),在齒的另一側(cè)上取兩個(gè)采樣點(diǎn)B和C,過(guò)采樣點(diǎn)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(gè)線段的中點(diǎn)D和E,得另一線段DE,連接定位中心A與線段DE的中點(diǎn)F即得這個(gè)齒的中心線 AF。旋轉(zhuǎn)原始設(shè)計(jì)圖,使其上的一條中心線與得出的中心線平行,再將設(shè)計(jì)圖中心移至定位中心,即可得出采樣設(shè)計(jì)對(duì)比圖,如圖8所示。

圖7 確定檢測(cè)相位Fig.7 Determining the measuring phase

圖8 采樣設(shè)計(jì)對(duì)比Fig.8 Comparison of sample and design

2.2 微齒輪誤差檢測(cè)項(xiàng)目

由于本文中的微齒輪用于微型鐘表機(jī)構(gòu),可以參照計(jì)時(shí)儀器用齒輪來(lái)確定其檢測(cè)項(xiàng)目。

對(duì)于計(jì)時(shí)儀器用圓弧齒輪,其檢測(cè)項(xiàng)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(dòng)、齒輪端面圓跳動(dòng)和齒面粗糙度等。本文結(jié)合LIGA技術(shù)加工微齒輪的特點(diǎn)和檢測(cè)的設(shè)備條件,主要檢測(cè)齒頂圓半徑偏差、齒根圓半徑偏差、齒厚偏差、齒形誤差等。

對(duì)齒頂圓半徑偏差,其檢測(cè)方法如圖9所示。測(cè)量定位中心A與齒頂圓上采樣點(diǎn)之間的距離,即可得出每個(gè)齒的齒頂圓半徑,其與標(biāo)準(zhǔn)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(cè)Fig.9 Measurement of tip radius

對(duì)齒根圓半徑偏差,其檢測(cè)方法與齒頂圓半徑偏差類(lèi)似。如圖10所示,只需測(cè)量定位中心與齒根圓半徑上有效采樣點(diǎn)之間的距離(對(duì)于同一段齒根圓上的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用距離定位中心A上的最遠(yuǎn)點(diǎn))即可得出每段的齒根圓半徑,其與標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(shí)際值與公稱(chēng)值之差。在本文中,齒厚偏差的測(cè)量方法如圖11所示。首先利用樣條曲線連接齒兩側(cè)的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn),再過(guò)定位中心做分度圓與樣條曲線相交,兩交點(diǎn)間的弧長(zhǎng)即為齒厚的實(shí)際值,其與公稱(chēng)齒厚的差值即為齒厚偏差。

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

齒形誤差是指在齒高工作部分內(nèi),包容實(shí)際齒形的兩條最近設(shè)計(jì)齒形間的法向距離,其測(cè)量方法如圖12所示[7]。

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

3 誤差檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)檢測(cè)掩膜版和零件中的各個(gè)齒的偏差,得出上偏差、下偏差、偏差帶、偏差期望(整個(gè)樣本空間)和偏差方差等。其中上下偏差和偏差帶可為設(shè)計(jì)提供參考,偏差期望可以表征加工特點(diǎn),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(cè)結(jié)果。

由表1可知,對(duì)于微齒輪的齒頂圓半徑,掩膜版圖形尺寸和零件實(shí)際尺寸的偏差方向均為負(fù)向,但零件尺寸相對(duì)于掩膜版圖形尺寸的偏向?yàn)檎?其平均相對(duì)偏差為1.95μm。

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

對(duì)微齒輪孔的齒頂圓半徑,掩膜版圖形尺寸和零件實(shí)際尺寸的偏差方向均為負(fù)向,同時(shí)零件尺寸相對(duì)于掩膜版圖形尺寸的偏差方向也為負(fù)向,其平均相對(duì)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(shè)計(jì)時(shí)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(cè)結(jié)果。

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

由表2可知,對(duì)于微齒輪的齒根圓半徑,掩膜版圖形尺寸和零件實(shí)際尺寸的偏差方向均為負(fù)向,但零件尺寸相對(duì)于掩膜版圖形尺寸的偏向?yàn)檎?其平均相對(duì)偏差為2.92μm。

對(duì)微齒輪孔的齒根圓半徑,掩膜版圖形尺寸和零件實(shí)際尺寸的偏差方向均為負(fù)向,同時(shí)零件尺寸相對(duì)于掩膜版圖形尺寸的偏差方向也為負(fù)向,其平均相對(duì)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(shè)計(jì)時(shí)的參考值。

3.3 齒厚偏差

表3為齒厚偏差的檢測(cè)結(jié)果。

由表3可知,在掩膜制造過(guò)程中,掩膜版上齒輪的齒厚偏差方向?yàn)樨?fù)向,零件相對(duì)于掩膜的偏差方向?yàn)檎较?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?yàn)樨?fù)向,零件相對(duì)于掩膜的偏差方向也為負(fù)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(shè)計(jì)時(shí)的參考值,建議設(shè)計(jì)復(fù)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(cè)結(jié)果。

表4 齒形誤差ΔfTab.4 Error of tooth profile

由表4可知,對(duì)于齒輪,掩膜版上齒形誤差大于零件的齒形誤差;對(duì)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(diǎn)及原因分析

4.1 誤差特點(diǎn)

微齒輪在掩膜版上表現(xiàn)為復(fù)雜腔體結(jié)構(gòu),經(jīng)LIGA工藝加工后表現(xiàn)為復(fù)雜實(shí)體結(jié)構(gòu)。微齒輪孔在掩膜版上表現(xiàn)為復(fù)雜實(shí)體結(jié)構(gòu),經(jīng)LIGA工藝加工后表現(xiàn)為復(fù)雜腔體結(jié)構(gòu)。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(duì)誤差比較穩(wěn)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(yīng)用LIGA加工技術(shù)加工徑向尺寸,在一定的尺寸范圍內(nèi),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(duì)于掩膜版制造工藝,加工復(fù)雜腔體結(jié)構(gòu)與實(shí)體結(jié)構(gòu)的周向尺寸的一致性相近;對(duì)于LIGA加工工藝,加工復(fù)雜實(shí)體結(jié)構(gòu)的周向尺寸的一致性要好于復(fù)雜腔體結(jié)構(gòu)。

總的來(lái)說(shuō),應(yīng)用LIGA工藝加工復(fù)雜腔體結(jié)構(gòu)的難度要大于加工實(shí)體結(jié)構(gòu)的難度,因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要加以考慮。

4.2 誤差原因分析

通過(guò)對(duì)圖1工藝流程的分析可知,加工出的齒輪誤差的來(lái)源主要有三種,即軟件轉(zhuǎn)換誤差,掩膜版制造過(guò)程中的誤差,以及零件加工誤差。

根據(jù)誤差來(lái)源的分析,第3節(jié)中檢測(cè)出的掩模版誤差和零件加工誤差結(jié)果是可信的。

除此之外由于設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中采用的軟件不同,設(shè)計(jì)中需要使用Auto CAD軟件進(jìn)行復(fù)雜平面圖形的設(shè)計(jì),而產(chǎn)生掩膜版圖形需要的是GDSII格式文件,因此需要應(yīng)用Link CAD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換,在這一過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生誤差。在軟件轉(zhuǎn)換過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差主要是由于AutoCAD,Link-CAD和L-edit三個(gè)軟件之間分辨率不同造成的,其誤差的檢測(cè)如圖13和圖14所示。通過(guò)檢測(cè)可知,其誤差在0.1μm左右。

圖13 軟件轉(zhuǎn)換誤差檢測(cè)Fig.13 Error testing of software conversion

圖14 軟件轉(zhuǎn)換誤差檢測(cè)局部放大圖Fig.14 Zoom to area of Fig2

5 結(jié)論

本文采用采樣設(shè)計(jì)對(duì)比法檢測(cè)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(duì)誤差進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)表明,LIGA工藝加工微齒輪和微齒輪孔的誤差偏向均為負(fù)向,且加工微齒輪孔的誤差要大于微齒輪,設(shè)計(jì)復(fù)雜孔和軸時(shí)預(yù)留的單邊余量應(yīng)為15μm。分析表明,這些特點(diǎn)與加工方法導(dǎo)致的誤差產(chǎn)生原因是吻合的。

本文的檢測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)論可為采用中科院高能所LIGA工藝加工微齒輪的設(shè)計(jì)和仿真提供參考。

由于設(shè)備和技術(shù)條件限制,目前尚無(wú)法對(duì)LIGA加工的微齒輪和微齒輪孔進(jìn)行快速批量檢測(cè)以制定微齒輪的公差標(biāo)準(zhǔn)。

因此,如何結(jié)合檢測(cè)設(shè)備開(kāi)發(fā)出快速檢測(cè)微齒輪誤差的方法是亟待解決的問(wèn)題。

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