肖昆

摘要：兩百年前，機(jī)械化的手表并沒(méi)有如今的微電子手表技術(shù)曾認(rèn)為是高科技的一個(gè)象征。至今針對(duì)機(jī)械智能手表的研發(fā)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造也還只是具有一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。這主要理由是要以一種機(jī)械的計(jì)時(shí)方法操作來(lái)進(jìn)行計(jì)時(shí)，機(jī)械表的性能必須準(zhǔn)確掌握;加之使用機(jī)械計(jì)時(shí)手表的傳動(dòng)器件小、能耗大，制作手表難度也大。近年來(lái)，將MEMS微細(xì)材料加工工藝技術(shù)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)機(jī)械智能手表，特別是擒縱機(jī)構(gòu)機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)制作上已引起了極大的市場(chǎng)關(guān)注。其中兩種處理技術(shù)，即基于UV-SU8膠的紫外發(fā)光LIGA處理技術(shù)和基于深度光的等離子體化學(xué)反應(yīng)刻蝕處理技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的研究應(yīng)用。本文將分別重點(diǎn)介紹這兩種關(guān)鍵技術(shù)及其在電子機(jī)械智能手表設(shè)計(jì)制造行業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：微電子機(jī)械系統(tǒng);MEMS;UV-SU8技術(shù);深度等離子體反應(yīng)刻蝕技術(shù);機(jī)械手表制作

引言

微電子機(jī)械系統(tǒng)組件是一種利用先進(jìn)現(xiàn)代微細(xì)紋理加工工藝技術(shù)（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(shù)），將機(jī)械主體構(gòu)件、光學(xué)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器零部件、電控器等系統(tǒng)集合而成為一套性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的電子傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器等復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。這些科學(xué)系統(tǒng)在歐洲中被稱之為微科學(xué)系統(tǒng)，在日本中則稱之為微科學(xué)機(jī)器。它們都是近100來(lái)年逐步發(fā)展壯大起來(lái)的一個(gè)具有前沿性、多專門學(xué)科互相交叉的新興科學(xué)研究技術(shù)領(lǐng)域，涉及應(yīng)用微機(jī)械學(xué)、微電子學(xué)、微光學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、材料工程學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)以及微細(xì)材料加工、自動(dòng)控制等多種基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用技術(shù)。美國(guó)、歐洲、日本都已經(jīng)制定了系列相應(yīng)的現(xiàn)代國(guó)家科技發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃，在科學(xué)信息技術(shù)通信、環(huán)境安全、航空航天、生物醫(yī)學(xué)和現(xiàn)代國(guó)防裝備軍事等應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)或?qū)⒁^續(xù)獲得重大突破，從而對(duì)國(guó)家科學(xué)信息技術(shù)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和大家國(guó)防建設(shè)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略影響。MEMS是繼現(xiàn)代微電子信息技術(shù)之后又一項(xiàng)旨在推動(dòng)人類社會(huì)文明進(jìn)步的現(xiàn)代革命性信息技術(shù)。

一、基于SU8膠的紫外LIGA技術(shù)

基于全新SU8膠的紫外準(zhǔn)曝光LIGA攝影技術(shù)曝光是一種改進(jìn)了的標(biāo)準(zhǔn)LIGA曝光技術(shù)（后來(lái)又稱UV-LIGA曝光技術(shù)），它通過(guò)采用新的SU8負(fù)膠（即例如Microchem公司的100、075系列）可以進(jìn)行傳統(tǒng)的紫外深度光和紫外線照射曝光，實(shí)現(xiàn)大高寬比微結(jié)構(gòu)的曝光制作，加工后的厚度可能會(huì)超過(guò)1000微米。這一創(chuàng)新技術(shù)成果大大的降低了制作工藝設(shè)備的制造成本，是一種具有很好的發(fā)展性和前途的MEMS型的制作工藝技術(shù)，因而越來(lái)越引起現(xiàn)代人們的高度重視。與目前傳統(tǒng)的塑料加工工藝技術(shù)方式比，UV-LIGA加工技術(shù)主要具有以下幾大優(yōu)勢(shì)：

（一）部件可精確地設(shè)計(jì)制作成任意形狀的各種平面立體部件：制作立體過(guò)程中，部件的整體形狀一般是由機(jī)械掩刻的制作方式進(jìn)行決定，因此各種造型形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多變的立體零件都同樣可以精確地設(shè)計(jì)制造制作出來(lái)，其制作精度要求也是一種傳統(tǒng)的機(jī)械加工制作方式所根本不能夠制作到的。這-技術(shù)特性對(duì)工業(yè)機(jī)械表的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程產(chǎn)生了很大量的影響，各種新型創(chuàng)新制表機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，多功能表的集成部件都有可能使其得以成功實(shí)現(xiàn)。

（二）具有陡直的內(nèi)外側(cè)壁和良好的陡直側(cè)壁整體表面平滑光潔度：制作制造過(guò)程中，最終復(fù)制得到的高壓電鑄鐵膠金屬結(jié)構(gòu)零件的陡直側(cè)壁通常是通過(guò)直接復(fù)制新的SU8膠金屬結(jié)構(gòu)零件得到，而復(fù)制SU8膠金屬結(jié)構(gòu)零件在準(zhǔn)紫外光刻下時(shí)又具有良好的外側(cè)壁準(zhǔn)確平直性和非常光滑的陡直側(cè)壁（整體表面光潔度約0～30納米）。因此，通過(guò)這種傳動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)加工生產(chǎn)得到的傳動(dòng)零件，如傳動(dòng)齒輪零件在相互嚙齒配合和反向傳動(dòng)的運(yùn)行過(guò)程中等都具有很好的傳動(dòng)表現(xiàn)，能夠極大的限制減小傳動(dòng)摩擦，從而達(dá)到減小傳動(dòng)能量的最大損耗。

（三）低投入成本的激光設(shè)備研發(fā)投入：UV-LIGA激光技術(shù)往往被很多人們錯(cuò)誤稱之為一個(gè)窮人的產(chǎn)品LIGA，這主要是因?yàn)樗l(fā)展所需需要投入的大量生產(chǎn)力和設(shè)備投入成本相對(duì)較小，并且不同于需要大量使用人們產(chǎn)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(cè)裝置，只要普通的各種紫外光輻射刻度和設(shè)備投入即可輕松實(shí)現(xiàn)。

（四）零件可同時(shí)調(diào)整實(shí)現(xiàn)各種多樣化的手表設(shè)計(jì)及零件制作：在進(jìn)行手表設(shè)計(jì)零件的批量設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中，工程師往往都會(huì)希望通過(guò)同時(shí)調(diào)整某些手表設(shè)計(jì)中的參數(shù)零件來(lái)同時(shí)驗(yàn)證某一件的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的相機(jī)制作往往都是需要很多不同批次的材料制作來(lái)進(jìn)行測(cè)試，耗時(shí)且昂貴。使用UV-LIGA設(shè)計(jì)技術(shù)，一次掩模并列零件的新型零件參數(shù)設(shè)計(jì)就可以等于一個(gè)可直接形成一個(gè)加入多種不同掩模設(shè)計(jì)零件參數(shù)的并列掩模新型零件，一個(gè)新的新型批次并列掩模零件即可驗(yàn)證軟件設(shè)計(jì)的最終成敗。因此，大幅度節(jié)省了傳統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間和技術(shù)成本。

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

二、深度等離子體反應(yīng)刻蝕技術(shù)（DRIE）

感應(yīng)轉(zhuǎn)移耦合利用等離子體焊接進(jìn)行反應(yīng)深度轉(zhuǎn)移反應(yīng)刻蝕技術(shù)是一種新的感應(yīng)干法刻蝕制作技術(shù)，能夠?qū)⒈燃す饪棠z制作圖形高度有精度的感應(yīng)轉(zhuǎn)移焊接到柔性硅刻膠襯底上，具有刻蝕反應(yīng)速率高和各向性特異性的蝕刻蝕等兩大優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)基于MEMS刻膠制作刻蝕技術(shù)又一重要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)。

近幾年， DRIE 技術(shù)還被用于制造機(jī)械表的部分。特別是在擒縱設(shè)計(jì)中，硅材料的推出帶來(lái)了許多新穎的設(shè)計(jì)元素。由于硅材料與傳統(tǒng)金屬或合金相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）輕量小，慣性較?。阂虼丝勺鞴?jié)能零部分或抗震需求較高的部件;

（2）低摩擦系數(shù)：能夠減少傳動(dòng)時(shí)的能量消耗;

（3）抗磁性：硅是沒(méi)有磁性的材料;

（4）熱膨脹率非常?。号c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(dá)450 GPa;

（6）高硬度，耐磨：?jiǎn)尉Ч杩蛇_(dá)1000 hv 以上的硬度。

另外，掩模光刻技術(shù)與DRIE技術(shù)的結(jié)合，也可以買現(xiàn)在X-Y平面任意形狀的設(shè)計(jì)，因此越來(lái)越多硅的手表零件通過(guò)DRIE技術(shù)制作出來(lái)。當(dāng)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(lái)增加韌性等，正在研究當(dāng)中?？傮w而言，硅材料對(duì)制作機(jī)心部件尤其是擒縱機(jī)構(gòu)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(shù)也發(fā)展了相當(dāng)一段時(shí)間，漸趨成熟。不遠(yuǎn)的將來(lái)，將有更多的應(yīng)用。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上，將 MEMS 加工技術(shù)運(yùn)用于機(jī)械表，特別是機(jī)心部件制造，是近幾年鐘表行業(yè)革新最大的動(dòng)力來(lái)源，已引起世界上各大廠家的高度關(guān)注。其中， UV-LIGA 技術(shù)、DRIE 技術(shù)兩種新興的技術(shù)被廣泛應(yīng)用，它們?cè)跈C(jī)械表的新設(shè)計(jì)、材料和新功能方面起到了很大作用，現(xiàn)已成為高端表零件加工制造的優(yōu)先發(fā)展方向。當(dāng)然，作為一種新興的技術(shù)進(jìn)入傳統(tǒng)機(jī)械表行業(yè)，還面臨著許多技術(shù)難度和問(wèn)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。

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