MEMS加工工藝在機械手表制造中的應用

肖昆

摘要：兩百年前，機械化的手表并沒有如今的微電子手表技術曾認為是高科技的一個象征。至今針對機械智能手表的研發設計與生產制造也還只是具有一項技術挑戰。這主要理由是要以一種機械的計時方法操作來進行計時，機械表的性能必須準確掌握;加之使用機械計時手表的傳動器件小、能耗大，制作手表難度也大。近年來，將MEMS微細材料加工工藝技術廣泛應用于自動機械智能手表，特別是擒縱機構機械零部件的設計制作上已引起了極大的市場關注。其中兩種處理技術，即基于UV-SU8膠的紫外發光LIGA處理技術和基于深度光的等離子體化學反應刻蝕處理技術已經得到了廣泛的研究應用。本文將分別重點介紹這兩種關鍵技術及其在電子機械智能手表設計制造行業中的實際應用。

關鍵詞：微電子機械系統;MEMS;UV-SU8技術;深度等離子體反應刻蝕技術;機械手表制作

引言

微電子機械系統組件是一種利用先進現代微細紋理加工工藝技術（主要包括多晶硅體微紋理加工、硅晶體表面微紋理加工、光刻法和電子壓鑄法等加工技術），將機械主體構件、光學控制系統、驅動器零部件、電控器等系統集合而成為一套性能優異、價格低廉、微型化的電子傳感器、執行器、驅動器等復雜機械系統。這些科學系統在歐洲中被稱之為微科學系統，在日本中則稱之為微科學機器。它們都是近100來年逐步發展壯大起來的一個具有前沿性、多專門學科互相交叉的新興科學研究技術領域，涉及應用微機械學、微電子學、微光學、微流體力學、微熱力學、材料工程學、物理學、化學、生物學以及微細材料加工、自動控制等多種基礎學科和應用技術。美國、歐洲、日本都已經制定了系列相應的現代國家科技發展戰略計劃，在科學信息技術通信、環境安全、航空航天、生物醫學和現代國防裝備軍事等應用領域，已經或將要繼續獲得重大突破，從而對國家科學信息技術、國民經濟和大家國防建設發展產生深遠的戰略影響。MEMS是繼現代微電子信息技術之后又一項旨在推動人類社會文明進步的現代革命性信息技術。

一、基于SU8膠的紫外LIGA技術

基于全新SU8膠的紫外準曝光LIGA攝影技術曝光是一種改進了的標準LIGA曝光技術（后來又稱UV-LIGA曝光技術），它通過采用新的SU8負膠（即例如Microchem公司的100、075系列）可以進行傳統的紫外深度光和紫外線照射曝光，實現大高寬比微結構的曝光制作，加工后的厚度可能會超過1000微米。這一創新技術成果大大的降低了制作工藝設備的制造成本，是一種具有很好的發展性和前途的MEMS型的制作工藝技術，因而越來越引起現代人們的高度重視。與目前傳統的塑料加工工藝技術方式比，UV-LIGA加工技術主要具有以下幾大優勢：

（一）部件可精確地設計制作成任意形狀的各種平面立體部件：制作立體過程中，部件的整體形狀一般是由機械掩刻的制作方式進行決定，因此各種造型形狀復雜、結構多變的立體零件都同樣可以精確地設計制造制作出來，其制作精度要求也是一種傳統的機械加工制作方式所根本不能夠制作到的。這-技術特性對工業機械表的產品設計過程產生了很大量的影響，各種新型創新制表機構的產品設計，多功能表的集成部件都有可能使其得以成功實現。

（二）具有陡直的內外側壁和良好的陡直側壁整體表面平滑光潔度：制作制造過程中，最終復制得到的高壓電鑄鐵膠金屬結構零件的陡直側壁通常是通過直接復制新的SU8膠金屬結構零件得到，而復制SU8膠金屬結構零件在準紫外光刻下時又具有良好的外側壁準確平直性和非常光滑的陡直側壁（整體表面光潔度約0～30納米）。因此，通過這種傳動技術設計加工生產得到的傳動零件，如傳動齒輪零件在相互嚙齒配合和反向傳動的運行過程中等都具有很好的傳動表現，能夠極大的限制減小傳動摩擦，從而達到減小傳動能量的最大損耗。

（三）低投入成本的激光設備研發投入：UV-LIGA激光技術往往被很多人們錯誤稱之為一個窮人的產品LIGA，這主要是因為它發展所需需要投入的大量生產力和設備投入成本相對較小，并且不同于需要大量使用人們產生各種高能量紫外x光輻射線所必必需的各種同步輻射探測裝置，只要普通的各種紫外光輻射刻度和設備投入即可輕松實現。

（四）零件可同時調整實現各種多樣化的手表設計及零件制作：在進行手表設計零件的批量設計和加工過程中，工程師往往都會希望通過同時調整某些手表設計中的參數零件來同時驗證某一件的設計。傳統的相機制作往往都是需要很多不同批次的材料制作來進行測試，耗時且昂貴。使用UV-LIGA設計技術，一次掩模并列零件的新型零件參數設計就可以等于一個可直接形成一個加入多種不同掩模設計零件參數的并列掩模新型零件，一個新的新型批次并列掩模零件即可驗證軟件設計的最終成敗。因此，大幅度節省了傳統產品開發的時間和技術成本。

（五）批量化制作：由于機械手表機心的零件相對較小，使用6英寸或8英寸的基片，一次就可生產出成百甚至上千個零件，效率很高。

二、深度等離子體反應刻蝕技術（DRIE）

感應轉移耦合利用等離子體焊接進行反應深度轉移反應刻蝕技術是一種新的感應干法刻蝕制作技術，能夠將比激光刻膠制作圖形高度有精度的感應轉移焊接到柔性硅刻膠襯底上，具有刻蝕反應速率高和各向性特異性的蝕刻蝕等兩大優點，是近年來基于MEMS刻膠制作刻蝕技術又一重要創新技術。

近幾年， DRIE 技術還被用于制造機械表的部分。特別是在擒縱設計中，硅材料的推出帶來了許多新穎的設計元素。由于硅材料與傳統金屬或合金相比具有以下優點：

（1）輕量小，慣性較小：因此可作節能零部分或抗震需求較高的部件;

（2）低摩擦系數：能夠減少傳動時的能量消耗;

（3）抗磁性：硅是沒有磁性的材料;

（4）熱膨脹率非常小：與不銹鋼（相比）的材料較低，單晶硅只是其五分之一;

（5）較高的模量：相比不銹鋼材料（約190～00 Gpa），硅或碳化硅可達450 GPa;

（6）高硬度，耐磨：單晶硅可達1000 hv 以上的硬度。

另外，掩模光刻技術與DRIE技術的結合，也可以買現在X-Y平面任意形狀的設計，因此越來越多硅的手表零件通過DRIE技術制作出來。當然，硅材料相比金屬材料也有一定的缺陷，比如脆性太大、韌性不足、易于斷裂等。因此一些后處理工藝，比如用鍍膜來增加韌性等，正在研究當中。總體而言，硅材料對制作機心部件尤其是擒縱機構或游絲等部件，是一種新型的理想材料。而DRIE深層硅刻蝕技術也發展了相當一段時間，漸趨成熟。不遠的將來，將有更多的應用。

三、結束語

綜上，將 MEMS 加工技術運用于機械表，特別是機心部件制造，是近幾年鐘表行業革新最大的動力來源，已引起世界上各大廠家的高度關注。其中， UV-LIGA 技術、DRIE 技術兩種新興的技術被廣泛應用，它們在機械表的新設計、材料和新功能方面起到了很大作用，現已成為高端表零件加工制造的優先發展方向。當然，作為一種新興的技術進入傳統機械表行業，還面臨著許多技術難度和問題，如材料韌性、可靠度、部件配合和組裝精度等，需要逐漸解決并完善。

參考文獻：

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