MEMS加工工艺在机械手表制造中的应用
2012-08-04 22:38:13   来源：微迷   评论：0   点击：

两百年前，机械手表有如今天的微电子技术曾是高科技的象征。至今机械手表的设计与制造也还具有一定的挑战。这主要是因为要以机械的方法来计时，机械性能必须准确掌握；加之机械手表的器件小、能耗大，制作难度也大。近年来，将MEMS微细加工技术应用于机械手表尤其是擒纵机构零部件的制作引起了极大的关注。其中两种技术，即基于SU8胶的紫外LIGA技术和深反应离子刻蚀技术得到了广泛的应用。它们对机械手表的新型机心设计、新材料、新功能的引入产生了很大的促进作用，目前已是高端手表零部件加工制作的优先研究发展方向。本文将分别介绍这两种技术及其在机械手表制造中的应用，并且指出其当前的存在的问题和今后发展方向。

基于SU8胶的紫外LIGA技术

基于SU8胶的紫外准LIGA技术是改进了的LIGA技术（后称UV-LIGA技术），它采用SU8负胶（如Microchem公司的2100、2075系列）进行传统的深度紫外线曝光，实现大高宽比微结构的制作，加工厚度可超过1000微米。这一技术大大的降低了工艺设备的成本，是一种很有发展前途的MEMS制作技术, 因而越来越引起人们的重视。采用UV-LIGA技术进行机械手表零件的制作过程可用图1来描述。

图1 基于SU8的紫外准LIGA技术制作机械手表零件(1)SU8胶光刻图案；(2)显影；(3)电铸；(4)去胶。

与传统的加工技术相比，UV-LIGA技术具有以下优势：

（1）可精确地制作任意形状的平面部件: 制作过程中，部件的形状是由掩模光刻的方式决定，因此各种形状复杂、结构多变的零件都可以精确地制造出来，其精度也是传统机械加工方式所不能作到的。这一特性对机械表的设计产生了很大影响，各种创新机构的设计，多功能集成部件都能得以实现。

（2）有陡直的侧壁和良好的侧壁表面光洁度：制作过程中，最终得到的电铸金属零件的侧壁是通过复制SU8胶结构得到，而SU8胶结构在准紫外光刻下具有良好侧壁准直性（89土1℃）和非常光滑的侧壁（表面光洁度约20~30纳米）。因此，通过这种技术加工得到的零件，如齿轮在相互啮合和传动的过程中具有很好的表现，能够极大的减小摩擦，从而减小能量的损耗。

（3）低成本的设备投入: UV-LIGA技术往往被人们称之为穷人的LIGA，这是因为它所需投入的生产设备成本相对较小，并且不需要使用产生高能量X射线所需的同步辐射装置，只要普通的紫外光刻设备即可实现。

（4）可同时实现多样化的设计及制作：在手表零件的设计和加工过程中，工程师往往希望通过调整某些设计参数来验证某一设计。传统的制作往往需要很多批次的制作来测试，耗时 并且昂贵。使用UV-LIGA技术，一次掩模的设计就可加入多种不同参数的零件，一个批次即可验证设计的成败。因此，大大节省了产品开发的时间和成本。

（5）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。

Mimotec SA是欧洲第一家采用UV-LIGA技术进行微部件制作的瑞士公司，目前它的产品也主要应用在机械手表领域。以下列举了几种通过这项技术制作出来的手表零件。

UV-LIGA融合了光刻和电铸成型技术，是主要的精密加工技术之一。它为精密部件提供了制作的高精度和设计的高自由度。近年来该技术用于手表部件的制作已引起了极大的重视。但是，该技术目前的局限在于微电铸往往采用镍材料，它硬度不够并且有很强的铁磁性，无法满足手表机心部件的功能要求。因此，采用合金电铸对材料加以改性，增加硬度，消除磁性等，成为目前的主要研究方向。

香港中文大学精密工程研究中心开发了一种基于镍磷的合金微电铸技术，使之具有高硬度、耐磨耗和非磁性等性质，满足了高质量手表机心部件的要求。相比纯镍材料，镍磷合金有如下优势：1）非铁磁性: 高磷含量的合金（磷重量大于1%）具有非磁性质，而纯镍材料具有很强的铁磁性；2）高硬度: 纯镍的硬度值在300HV左右，而镍磷合金的硬度可达到600HV, 经过热处理，甚至可达到1000HV；3）镍磷合金还具有很强的耐磨性和良好的摩擦性能。

深反应离子刻蚀技术（DRIE）

感应祸合等离子体（ICP）进行深度反应刻蚀（Deep Reactive Ion Etching，缩写DRIE）是一种新的干法刻蚀技术，能够将光刻胶图形高精度的转移到硅衬底上，具有刻蚀速率高和各向异性刻蚀等优点，是近年来MEMS制作技术又一重要技术。图2是DRIE的工艺图解，图3是用DRIE制作的若干微结构。

图2 DRIE的干法刻蚀工艺图解（1）光刻形成图案；（2）离子深度刻蚀

图3 用DRIE工艺制作出来的硅微结构

近年来，DRIE技术也被用来制作机械表心的部件。尤其在擒纵机构中，硅材料的引入带来许多创新性的设计。因为相比传统的金属或者合金材料，硅材料具有下列优点：

（1）质量轻，惯量小：因此可用作节能或者抗震要求高的零部件；

（2）低摩擦系数：能够降低传动过程中的能量损耗；

（3）抗磁性：硅是没有磁性的材料；

（4）非常低的热膨胀系数：相比不锈钢材料（约10~20 x 10^-6/K），单晶硅只是其五分之一（3 x 10^-6/K）；

（5）较高的模量：相比不锈钢材料（约190~20O Gpa），硅或碳化硅可达450GPa；

（6）硬度高，耐磨损：单晶硅的硬度可达到1000HV以上。

另外，掩模光刻技术与DRI E技术的结合，也可以实现在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，图4是香港中文大学精密工程研究所用DRIE制作的硅擒纵轮。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。

图4 香港中文大学精密工程研究所用DRIE制作的硅擒纵轮并作氧化处理

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。

综上所述，将MEMS加工技术应用于机械手表尤其是机心零部件的制作是近年来钟表业革新的最大动力，已引起了世界各大厂商极大的关注。其中两种新兴技术，UV-LIGA技术和DRIE技术得到了广泛的应用，它们对机械手表的新设计、新材料、新功能的引入起了很大的促进作用，现已成为高端手表零部件加工制作的优先研究发展方向。当然作为新兴技术引入到传统的机械手表行业，还面临着很多技术上的困难和问题，例如材料的韧性、可靠性，部件的配合组装的精度等还要逐步得到解决和完善。