基于LIGA工艺的微齿轮误差特点

代 俊,石庚辰

(机电工程与控制国家级重点实验室北京分部,北京 100081)

0 引言

LIGA技术是MEMS(微机电系统)领域里的一种加工工艺,目前应用于引信安全系统的加工工艺主要有体硅工艺、LIGA(准 LIGA)工艺[1]。LIGA工艺可加工金属材料,加工精度高、加工厚度大、深宽比大,且加工出的零件侧壁垂直度好,表面平整,其加工出的零件的厚度可达到1 mm[2]。现已经用于加工引信片状零件、微齿轮等。

微齿轮具有体积小,传动紧凑等优点,其应用广泛,如在航天航空的微型卫星,以及在微型机器人中实现运动转换等功能[3]。使用LIGA技术加工微齿轮具有良好前景。

如同传统的机械加工技术,LIGA加工工艺也不可避免地存在误差,并且不同加工方法有不同的特点。误差的检测与分析,对LIGA加工的微齿轮的公差标准制定和设计至关重要。然而在MEMS领域,未见误差特点的研究文献。为此,本文采用Veeco光学轮廓仪对采用LIGA制造工艺加工的微型齿轮进行误差检测。

1 LIGA加工微齿轮的工艺过程

本文以中科院微电子所的掩膜版制造工艺和中科院高能所的工艺过程和工艺水平为依据,微齿轮由设计图纸[4]到最后的零件需经历的流程见图1。

如图1所示,一般由设计人员给出CAD设计图纸,应用Link CAD软件将其转化为制造掩膜版所需的GDSII格式文件(在L-edit软件中打开),利用电子束系统将图形绘制到电子敏感材料上制成掩膜版[5],再经过光刻、显影、电铸、磨削和去光刻胶等过程[6]最终制成微齿轮。

图1 LIGA技术加工微齿轮流程Fig.1 The manufacturing process of micro-gear based on LIGA technology

2 误差检测方法与检测项目

2.1 检测方法

对按传统方法加工的计时仪器用齿轮,一般采用投影样板法进行检测,即将齿轮放大100倍或50、20、10倍投影样板,再与设计图纸进行比对检测。

本文参照传统检测方法检测微齿轮和微齿轮孔的掩膜版和零件,图2和图3分别为微齿轮和微齿轮孔的实物放大图。首先采用Veeco光学轮廓仪检测微齿轮和微齿轮孔的掩膜版和零件,得出微齿轮和微齿轮孔的二维轮廓,如图4和图5所示,再对轮廓图进行采样,将采样所得的数据(相当于零件的投影)和原始设计图纸(相当于样板)输入计算机,组成类似于投影样板图的采样设计对比图,再利用AutoCAD软件的绘图与测量功能,检测微齿轮的误差。检测的样本为6个微齿轮零件、6个微齿轮掩膜版图形、6个微齿轮孔零件和6个微齿轮孔掩膜版图形。

图2 微齿轮实物放大图Fig.2 Enlarged image of micro-gear

图3 微齿轮孔实物放大图Fig.3 Enlarged image of micro-gear hole

图4 微齿轮二维轮廓图Fig.4 Two-dimensional profile of micro-gear

图5 微齿轮孔二维轮廓图Fig.5 Two-dimensional profile of micro-gear hole

首先确定检测中心。在传统投影样板法中,一般采用经过磨削加工后精度较高的中心孔作为检测时的定位基准。本文所检测的微齿轮由于尺寸较小,中心孔的相对误差较大,齿顶较尖,齿顶圆数据点较少,因此采用尺寸相对较大、数据点较多的齿根圆作为检测时的定位基准。调整齿根圆的位置,使得齿根圆上有效采样点的最大偏差尽可能的小,得到的齿根圆的中心即检测的中心A,如图6所示。

图6 确定检测中心Fig.6 Determining the measuring center

其次确定检测相位。确定检测相位主要是确定采样图形的轮齿的中心线。如图7所示,首先过定位中心 A和采样所得的齿顶圆上的点G作直线AG,作为齿的初始中心线。利用AutoCAD中的样条曲线连接一侧齿上的采样点,在齿的另一侧上取两个采样点B和C,过采样点B、C分别作与初始中心线垂直的直线并交样条曲线于J和H,得两线段BJ和CH;连接两个线段的中点D和E,得另一线段DE,连接定位中心A与线段DE的中点F即得这个齿的中心线 AF。旋转原始设计图,使其上的一条中心线与得出的中心线平行,再将设计图中心移至定位中心,即可得出采样设计对比图,如图8所示。

图7 确定检测相位Fig.7 Determining the measuring phase

图8 采样设计对比Fig.8 Comparison of sample and design

2.2 微齿轮误差检测项目

由于本文中的微齿轮用于微型钟表机构,可以参照计时仪器用齿轮来确定其检测项目。

对于计时仪器用圆弧齿轮,其检测项目主要有齿形误差、齿厚偏差、齿距偏差、齿顶圆直径偏差、齿根圆直径偏差、齿顶圆径向圆跳动、齿轮端面圆跳动和齿面粗糙度等。本文结合LIGA技术加工微齿轮的特点和检测的设备条件,主要检测齿顶圆半径偏差、齿根圆半径偏差、齿厚偏差、齿形误差等。

对齿顶圆半径偏差,其检测方法如图9所示。测量定位中心A与齿顶圆上采样点之间的距离,即可得出每个齿的齿顶圆半径,其与标准齿顶圆半径的差值即为齿顶圆半径偏差。

图9 齿顶圆半径偏差检测Fig.9 Measurement of tip radius

对齿根圆半径偏差,其检测方法与齿顶圆半径偏差类似。如图10所示,只需测量定位中心与齿根圆半径上有效采样点之间的距离(对于同一段齿根圆上的数据点采用距离定位中心A上的最远点)即可得出每段的齿根圆半径,其与标准齿根圆半径的差值即为齿根圆半径偏差。

图10 齿根圆半径偏差检测Fig.10 Measurement of root radius

齿厚偏差是指在分度圆柱面上,法面齿厚的实际值与公称值之差。在本文中,齿厚偏差的测量方法如图11所示。首先利用样条曲线连接齿两侧的采样数据点,再过定位中心做分度圆与样条曲线相交,两交点间的弧长即为齿厚的实际值,其与公称齿厚的差值即为齿厚偏差。

图11 齿厚偏差检测Fig.11 Measurement of tooth thickness

齿形误差是指在齿高工作部分内,包容实际齿形的两条最近设计齿形间的法向距离,其测量方法如图12所示[7]。

图12 齿形误差检测Fig.12 Measurement of tooth profile

3 误差检测结果

通过检测掩膜版和零件中的各个齿的偏差,得出上偏差、下偏差、偏差带、偏差期望(整个样本空间)和偏差方差等。其中上下偏差和偏差带可为设计提供参考,偏差期望可以表征加工特点,偏差带和偏差方差可用于表征工艺水平和加工的一致性。

3.1 齿顶圆半径偏差

表1为齿顶圆半径偏差的检测结果。

由表1可知,对于微齿轮的齿顶圆半径,掩膜版图形尺寸和零件实际尺寸的偏差方向均为负向,但零件尺寸相对于掩膜版图形尺寸的偏向为正向,其平均相对偏差为1.95μm。

表1 齿顶圆半径偏差ΔRTab.1 Deviation of tip radiusΔR

对微齿轮孔的齿顶圆半径,掩膜版图形尺寸和零件实际尺寸的偏差方向均为负向,同时零件尺寸相对于掩膜版图形尺寸的偏差方向也为负向,其平均相对偏差为-5.92μm。

表中微齿轮齿顶圆半径的上偏差和微齿轮孔齿顶圆半径的下偏差可以用作设计时的参考值。

3.2 齿根圆半径偏差

表2为齿根圆半径偏差的检测结果。

表2 齿根圆半径偏差ΔrTab.2 Deviation of root radiusΔr

由表2可知,对于微齿轮的齿根圆半径,掩膜版图形尺寸和零件实际尺寸的偏差方向均为负向,但零件尺寸相对于掩膜版图形尺寸的偏向为正向,其平均相对偏差为2.92μm。

对微齿轮孔的齿根圆半径,掩膜版图形尺寸和零件实际尺寸的偏差方向均为负向,同时零件尺寸相对于掩膜版图形尺寸的偏差方向也为负向,其平均相对偏差为-4.31μm。

表中微齿轮齿根圆半径的上偏差和微齿轮孔齿根圆半径的下偏差可用作设计时的参考值。

3.3 齿厚偏差

表3为齿厚偏差的检测结果。

由表3可知,在掩膜制造过程中,掩膜版上齿轮的齿厚偏差方向为负向,零件相对于掩膜的偏差方向为正方向,其平均值为4μm。

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

掩膜版上齿轮孔的齿厚偏差方向为负向,零件相对于掩膜的偏差方向也为负方向,且偏差较大,其平均值为-7μm。

表中微齿轮的上偏差和微齿轮孔的下偏差可以用作设计时的参考值,建议设计复杂孔和轴的单边余量为15μm。

3.4 齿形偏差

表4为齿形误差的检测结果。

表4 齿形误差ΔfTab.4 Error of tooth profile

由表4可知,对于齿轮,掩膜版上齿形误差大于零件的齿形误差;对于齿轮孔,掩膜版上的齿形误差小于零件的齿形误差。

4 误差特点及原因分析

4.1 误差特点

微齿轮在掩膜版上表现为复杂腔体结构,经LIGA工艺加工后表现为复杂实体结构。微齿轮孔在掩膜版上表现为复杂实体结构,经LIGA工艺加工后表现为复杂腔体结构。齿顶圆半径误差和齿根圆半径误差为径向尺寸误差,齿形误差和齿厚误差均为周向尺寸误差。

综合表1与表2可知,加工微齿轮和微齿轮孔的掩膜版图形的径向尺寸的工艺水平和绝对误差比较稳定,但加工微齿轮的径向尺寸偏差大于微加工齿轮孔的偏差。

应用LIGA加工技术加工径向尺寸,在一定的尺寸范围内,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。

综合表3和表4可知,对于掩膜版制造工艺,加工复杂腔体结构与实体结构的周向尺寸的一致性相近;对于LIGA加工工艺,加工复杂实体结构的周向尺寸的一致性要好于复杂腔体结构。

总的来说,应用LIGA工艺加工复杂腔体结构的难度要大于加工实体结构的难度,因此在设计时需要加以考虑。

4.2 误差原因分析

通过对图1工艺流程的分析可知,加工出的齿轮误差的来源主要有三种,即软件转换误差,掩膜版制造过程中的误差,以及零件加工误差。

根据误差来源的分析,第3节中检测出的掩模版误差和零件加工误差结果是可信的。

除此之外由于设计和加工过程中采用的软件不同,设计中需要使用Auto CAD软件进行复杂平面图形的设计,而产生掩膜版图形需要的是GDSII格式文件,因此需要应用Link CAD软件进行数据间的转换,在这一过程中将会产生误差。在软件转换过程中所产生的误差主要是由于AutoCAD,Link-CAD和L-edit三个软件之间分辨率不同造成的,其误差的检测如图13和图14所示。通过检测可知,其误差在0.1μm左右。

图13 软件转换误差检测Fig.13 Error testing of software conversion

图14 软件转换误差检测局部放大图Fig.14 Zoom to area of Fig2

5 结论

本文采用采样设计对比法检测了微型齿轮的齿顶圆半径偏差、齿根圆半径偏差、齿厚偏差和齿形误差。对误差进行的统计表明,LIGA工艺加工微齿轮和微齿轮孔的误差偏向均为负向,且加工微齿轮孔的误差要大于微齿轮,设计复杂孔和轴时预留的单边余量应为15μm。分析表明,这些特点与加工方法导致的误差产生原因是吻合的。

本文的检测数据和结论可为采用中科院高能所LIGA工艺加工微齿轮的设计和仿真提供参考。

由于设备和技术条件限制,目前尚无法对LIGA加工的微齿轮和微齿轮孔进行快速批量检测以制定微齿轮的公差标准。

因此,如何结合检测设备开发出快速检测微齿轮误差的方法是亟待解决的问题。

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