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基于LIGA技术的微行星齿轮减速器的设计和制造 |
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作者：张卫平 陈文元 陈迪 吴校生 |
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摘要：使用同步辐射光和X 射线掩模板的L IGA 技术能够制造大深宽比的三维微结构。详细讨论了基于该技术的微行星齿轮减速器的设计和制造，包括微行星齿轮减速器的设计、微齿轮X 射线掩模板的CAD 技术、X 射线深层光刻、微齿轮的微电铸和微复制，以及微行星齿轮减速器的微装配。目前已经得到了金属镍的厚度为400Lm 的太阳轮、行星轮，厚度为200 Lm 的固定内齿轮、旋转内齿轮，其齿数分别为15、11、36、39。用这些微齿轮装配成了一台模数为0.03 mm、减速比为44. 2、最大外径为2 mm 的微行星齿轮减速器，并将其成功地应用在直径为2 mm 的电磁型微马达上。
关键词：3K- 2 型微行星齿轮减速器；微齿轮；L IGA；电磁型微马达
微行星齿轮减速器可以降低微马达的转速，提高微马达的输出力矩，是微机电系统的重要组成部件。1994 年日本东芝技术研究所使用微细电火花技术(EDM ) 制造出了模数为0104 mm、减速比为44.2 的微行星齿轮减速器[ 1 ]；1998 年，上海交通大学用EDM 技术研制出了模数为0.06mm、减速比为44.2 的微行星齿轮减速器[ 2 ]。使用同步辐射光和X 射线掩模板的L IGA 技术能够制造大深宽比的三维微结构，该结构侧壁陡峭，表面平整[ 3 ]。利用LIGA 技术的特点，我们又研制出模数为0.3 mm、最大外径为2 mm 的3K- 2 型微行星齿轮减速器。
1 微行星齿轮减速器的设计
图1 是微行星齿轮减速器结构示意图，a、g、b、e 分别是太阳轮、行星轮、固定内齿轮、旋转内齿轮。太阳轮是输入轮，旋转内齿轮是输出轮。输入输出同轴。
图1 微行星齿轮减速器
有3个理论中心距，分别是太阳轮和行星轮的理论中心距aag，固定内齿轮和行星轮之间的理论中心距abg，旋转内齿轮和行星轮之间的理论中心距aeg。3 个理论中心距彼此不同，为了保证啮合，在行星轮g 和别的齿轮之间必须有一个共同的实际中心距。显然，实际中心距的最大值amax 和最小值amin 之间。为保证微齿轮的加工性和啮合性，避免微齿轮干涉，我们设定微齿轮的变位系数是正值，旋转内齿轮的变位系数x e =0。因为旋转内齿轮的齿数最多，旋转内齿轮的变位系数取为0 可有效降低微减速器的尺寸。基于以上设定，我们在amax 和am in 之间插值，就可以得到实际中心距为[ 4 ]
a = amin + 0.76 (amax - amin)
有了实际中心距，根据通常行星齿轮减速器的计算公式[ 5 ] ，就可计算出微齿轮的参数。表1 是模数为0.03 mm 的微行星齿轮减速器的计算参数。表1 模数为0.03mm的微行星齿轮减速器的计算参数
 2 X射线掩模板的CAD技术及加工
在用L IGA 技术进行加工时，需要先制作出X 光掩模板图形，掩模板图形是通过矩形窗口在光刻胶上连续曝光而形成的。因此，用LIGA 技术制备微齿轮的第一步是要把齿轮进行矩形分割，且矩形窗口在0.1～ 150μm之间(视掩模板曝光机技术参数而定) ，分割要包容所有的区域，只允许重叠，不允许遗漏，否则，曝光不到的地方将不能显影成图形，齿轮的制作也只能以失败告终。基于以上考虑，将各个微齿轮图形分割成无数个长方形图形，并在坐标系中以五参数(M 、N 、Q、a、b)表示，其中M 、N 为长方形中心坐标，Q 为长方形一边与水平轴夹角，a、b 分别为长方形的边长。太阳轮、行星轮、固定内齿轮、旋转内齿轮分别被分割成1095、803、1548、1443 个曝光矩形窗口。这些矩形窗口转化成曝光机可识别的加工数据文件输出。图2 是太阳轮、外轮齿分割图，图3 是内齿轮、内轮齿分割图。
图2 太阳轮、外轮齿分割图
图3 内齿轮、内轮齿分割图
在镀铬玻璃板上用以上的图形进行紫外曝光，形成制作微齿轮X 光掩模板的过渡掩模板。在硅表面生长5 Lm 的金刚石膜作为L IGA 掩模板的支撑膜，在金刚石膜上溅射Cr 和FeN i 作为电镀起始层。然后，甩光刻胶、曝光、显影、镀金10Lm。在硅片背后开窗单面腐蚀至金刚石膜终止可得L IGA 掩模板。
3 X 射线深层光刻和微电铸
用以上的微齿轮LIGA 掩模板作掩模，PMMA 作为光刻胶，使用中国科学院高能物理研究所同步辐射装置的X 射线作光源(该同步装置储存环能量为2.2 GeV ，电子束流强为80mA)，进行曝光试验。然后显影并电铸镍，为使电铸时电流密度均匀，在设计时对原无孔的行星轮中间加了φ0.15 mm 小孔，以使铸后结构完整，质地致密，表面光滑。图4 是镍微齿轮的电镜照片。
图4 镍微齿轮的电镜照片
4 微复制
微复制可以得到大深宽比的微结构[ 6 ]。微复制所需要的塑料材料成本低、种类多。我们的研究工作是在真空热压系统下进行的，设备简单、塑料用量少、对模具的影响小、微结构容易加工。图5 是微复制原理图。在得到金属模具后，微齿轮的微复制工作就可以开展。
图5 微复制原理图
模压工艺中，模压温度、模压压力和时间、脱模温度、脱模速率和距离都是决定模压效果好坏的因素。对于非结晶塑料，其模压温度应达到其玻璃化温度(T g) 以上。对于结晶性塑料则其模压温度应达到其融熔温度(T m ) 以上，这样，塑料中大分子链的链段运动才能充分发展，塑料相应处于高弹态，在较小的压力下，即可迅速发生较大的形变。在脱模时，为了保证塑料微结构有足够的力学性能而不至于在脱模过程中损坏，脱模温度应低于塑料的T g 或T m ，否则微结构没有足够的强度[ 7 ]。但如果脱模温度过低，则增加了不必要的加工周期，而微复制的效果并没有得到明显的改善。基于以上原则，我们使用PC、PMMA、PMMA (黑)、PVC、PS 进行了多次模压试验，得到表2 所示的模压工艺参数。图6 是一微齿轮微复制结构。表2 模压工艺参数
 5 微减速器的微装配
在得到金属镍微齿轮后，经清洗，即可组装成微行星齿轮减速器。由于要在内径φ1.5 mm 的孔中把模数仅0.03mm 的4 种微齿轮进行装配，并且还要和< 2mm 的微马达相连，所以必须在显微镜下用特殊的工装进行。微马达通过φ0.25 mm 的轴和太阳轮相连作为输入，微减速器的输出轴直径为0.5mm，采用宝石轴承，以减小摩擦。这样，减速比为44：2 的微行星齿轮减速器可和φ2mm 的微马达共同组成一个微驱动器。图7 是其装配后的照片。
图6 微齿轮微复制结构 图7 微行星齿轮减速器
参考文献：
[1 ] Kohei Ho ri. M icro - p lanetary Gear D rivers. N ip2 pon Kikai Gakkai Robo t ikusu，M ekato ronikusu Koenkai Koen Ronbunshu ( in Japanese ) ，1994，1994- B：965～ 968
[ 2 ] 陈文元，丁涛. 用于< 2mm 电磁性微马达的微3K- 2型齿轮减速器的研究. 微细加工技术，1997 (4) ：49～54
[3 ] Becker EW，EhrfeldW ，FahrniN，etal. Fabrication of Microstructures with High Aspect Ratios and Great Structural Heights by Synchrotron Radiation Lithography，Galvanoforming and Plastic Moulding (LIGA Process). M icroelectronic Engineering，1986，4：35～ 55
[ 4 ] 陈文元，张卫平，范志荣. 微3K- 2 型行星齿轮减速器中微齿轮啮合模型和参数计算. 上海交通大学学报，2000，34 (3) ：381～ 383
[ 5 ] 饶振钢. 行星传动机构设计. 第2 版. 北京：国防工业出版社，1994
[ 6 ] Heckele Mathias，BacherW，Hanemann T，etal. Hot Embossing and Injection Molding for Microopical Components，SPIE. Optical Plastic Optics for Optical Storage，Displays，Imaging and Communications，San Diego，1997
[7 ] Ruprecht R，Hanemann T ，Piotter V ，etal. Polymer Materials for Microsystem Technologies. Microsystem Technologies，1998，5：44～ 48
作者简介：
张卫平，男，1971 年生。上海交通大学( 上海市200030) 信息存储研究中心讲师、博士研究生。研究方向为微机械设计、仿真、加工等。
陈文元，男，1944 年生。上海交通大学信息存储研究中心教授、博士研究生导师。
陈 迪，男，1961 年生。上海交通大学信息存储研究中心教授、博士研究生导师。
吴校生，男，1974年生。上海交通大学信息存储研究中心博士研究生。
陈晓梅，男，1975 年生。上海交通大学信息存储研究中心博士研究生。
徐正福，男，1974 年生。上海交通大学信息存储研究中心硕士研究生。(end)
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(7/6/2005) |
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