MEMS加工工艺在机械手表制造中的应用

肖昆

摘要：两百年前，机械化的手表并没有如今的微电子手表技术曾认为是高科技的一个象征。至今针对机械智能手表的研发设计与生产制造也还只是具有一项技术挑战。这主要理由是要以一种机械的计时方法操作来进行计时，机械表的性能必须准确掌握;加之使用机械计时手表的传动器件小、能耗大，制作手表难度也大。近年来，将MEMS微细材料加工工艺技术广泛应用于自动机械智能手表，特别是擒纵机构机械零部件的设计制作上已引起了极大的市场关注。其中两种处理技术，即基于UV-SU8胶的紫外发光LIGA处理技术和基于深度光的等离子体化学反应刻蚀处理技术已经得到了广泛的研究应用。本文将分别重点介绍这两种关键技术及其在电子机械智能手表设计制造行业中的实际应用。

关键词：微电子机械系统;MEMS;UV-SU8技术;深度等离子体反应刻蚀技术;机械手表制作

引言

微电子机械系统组件是一种利用先进现代微细纹理加工工艺技术（主要包括多晶硅体微纹理加工、硅晶体表面微纹理加工、光刻法和电子压铸法等加工技术），将机械主体构件、光学控制系统、驱动器零部件、电控器等系统集合而成为一套性能优异、价格低廉、微型化的电子传感器、执行器、驱动器等复杂机械系统。这些科学系统在欧洲中被称之为微科学系统，在日本中则称之为微科学机器。它们都是近100来年逐步发展壮大起来的一个具有前沿性、多专门学科互相交叉的新兴科学研究技术领域，涉及应用微机械学、微电子学、微光学、微流体力学、微热力学、材料工程学、物理学、化学、生物学以及微细材料加工、自动控制等多种基础学科和应用技术。美国、欧洲、日本都已经制定了系列相应的现代国家科技发展战略计划，在科学信息技术通信、环境安全、航空航天、生物医学和现代国防装备军事等应用领域，已经或将要继续获得重大突破，从而对国家科学信息技术、国民经济和大家国防建设发展产生深远的战略影响。MEMS是继现代微电子信息技术之后又一项旨在推动人类社会文明进步的现代革命性信息技术。

一、基于SU8胶的紫外LIGA技术

基于全新SU8胶的紫外准曝光LIGA摄影技术曝光是一种改进了的标准LIGA曝光技术（后来又称UV-LIGA曝光技术），它通过采用新的SU8负胶（即例如Microchem公司的100、075系列）可以进行传统的紫外深度光和紫外线照射曝光，实现大高宽比微结构的曝光制作，加工后的厚度可能会超过1000微米。这一创新技术成果大大的降低了制作工艺设备的制造成本，是一种具有很好的发展性和前途的MEMS型的制作工艺技术，因而越来越引起现代人们的高度重视。与目前传统的塑料加工工艺技术方式比，UV-LIGA加工技术主要具有以下几大优势：

（一）部件可精确地设计制作成任意形状的各种平面立体部件：制作立体过程中，部件的整体形状一般是由机械掩刻的制作方式进行决定，因此各种造型形状复杂、结构多变的立体零件都同样可以精确地设计制造制作出来，其制作精度要求也是一种传统的机械加工制作方式所根本不能够制作到的。这-技术特性对工业机械表的产品设计过程产生了很大量的影响，各种新型创新制表机构的产品设计，多功能表的集成部件都有可能使其得以成功实现。

（二）具有陡直的内外侧壁和良好的陡直侧壁整体表面平滑光洁度：制作制造过程中，最终复制得到的高压电铸铁胶金属结构零件的陡直侧壁通常是通过直接复制新的SU8胶金属结构零件得到，而复制SU8胶金属结构零件在准紫外光刻下时又具有良好的外侧壁准确平直性和非常光滑的陡直侧壁（整体表面光洁度约0～30纳米）。因此，通过这种传动技术设计加工生产得到的传动零件，如传动齿轮零件在相互啮齿配合和反向传动的运行过程中等都具有很好的传动表现，能够极大的限制减小传动摩擦，从而达到减小传动能量的最大损耗。

（三）低投入成本的激光设备研发投入：UV-LIGA激光技术往往被很多人们错误称之为一个穷人的产品LIGA，这主要是因为它发展所需需要投入的大量生产力和设备投入成本相对较小，并且不同于需要大量使用人们产生各种高能量紫外x光辐射线所必必需的各种同步辐射探测装置，只要普通的各种紫外光辐射刻度和设备投入即可轻松实现。

（四）零件可同时调整实现各种多样化的手表设计及零件制作：在进行手表设计零件的批量设计和加工过程中，工程师往往都会希望通过同时调整某些手表设计中的参数零件来同时验证某一件的设计。传统的相机制作往往都是需要很多不同批次的材料制作来进行测试，耗时且昂贵。使用UV-LIGA设计技术，一次掩模并列零件的新型零件参数设计就可以等于一个可直接形成一个加入多种不同掩模设计零件参数的并列掩模新型零件，一个新的新型批次并列掩模零件即可验证软件设计的最终成败。因此，大幅度节省了传统产品开发的时间和技术成本。

（五）批量化制作：由于机械手表机心的零件相对较小，使用6英寸或8英寸的基片，一次就可生产出成百甚至上千个零件，效率很高。

二、深度等离子体反应刻蚀技术（DRIE）

感应转移耦合利用等离子体焊接进行反应深度转移反应刻蚀技术是一种新的感应干法刻蚀制作技术，能够将比激光刻胶制作图形高度有精度的感应转移焊接到柔性硅刻胶衬底上，具有刻蚀反应速率高和各向性特异性的蚀刻蚀等两大优点，是近年来基于MEMS刻胶制作刻蚀技术又一重要创新技术。

近几年， DRIE 技术还被用于制造机械表的部分。特别是在擒纵设计中，硅材料的推出带来了许多新颖的设计元素。由于硅材料与传统金属或合金相比具有以下优点：

（1）轻量小，惯性较小：因此可作节能零部分或抗震需求较高的部件;

（2）低摩擦系数：能够减少传动时的能量消耗;

（3）抗磁性：硅是没有磁性的材料;

（4）热膨胀率非常小：与不锈钢（相比）的材料较低，单晶硅只是其五分之一;

（5）较高的模量：相比不锈钢材料（约190～00 Gpa），硅或碳化硅可达450 GPa;

（6）高硬度，耐磨：单晶硅可达1000 hv 以上的硬度。

另外，掩模光刻技术与DRIE技术的结合，也可以買现在X-Y平面任意形状的设计，因此越来越多硅的手表零件通过DRIE技术制作出来。当然，硅材料相比金属材料也有一定的缺陷，比如脆性太大、韧性不足、易于断裂等。因此一些后处理工艺，比如用镀膜来增加韧性等，正在研究当中。总体而言，硅材料对制作机心部件尤其是擒纵机构或游丝等部件，是一种新型的理想材料。而DRIE深层硅刻蚀技术也发展了相当一段时间，渐趋成熟。不远的将来，将有更多的应用。

三、结束语

综上，将 MEMS 加工技术运用于机械表，特别是机心部件制造，是近几年钟表行业革新最大的动力来源，已引起世界上各大厂家的高度关注。其中， UV-LIGA 技术、DRIE 技术两种新兴的技术被广泛应用，它们在机械表的新设计、材料和新功能方面起到了很大作用，现已成为高端表零件加工制造的优先发展方向。当然，作为一种新兴的技术进入传统机械表行业，还面临着许多技术难度和问题，如材料韧性、可靠度、部件配合和组装精度等，需要逐渐解决并完善。

参考文献：

[1]郭育华，王英男，杜如虚.MEMS加工工艺在机械手表制造中的应用[J].钟表，2010，41（02）：117-121.

[2]机械手表走时质量测试标准是什么？[J].   钟表. 2001（01）

[3]超薄机械类9000系列的诞生[J].   钟表（最时间）. 2018（04）