摘要：使用同步輻射光和X 射線掩模板的L IGA 技術(shù)能夠制造大深寬比的三維微結(jié)構(gòu)。詳細(xì)討論了基于該技術(shù)的微行星齒輪減速器的設(shè)計和制造，包括微行星齒輪減速器的設(shè)計、微齒輪X 射線掩模板的CAD 技術(shù)、X 射線深層光刻、微齒輪的微電鑄和微復(fù)制，以及微行星齒輪減速器的微裝配。目前已經(jīng)得到了金屬鎳的厚度為400Lm 的太陽輪、行星輪，厚度為200 Lm 的固定內(nèi)齒輪、旋轉(zhuǎn)內(nèi)齒輪，其齒數(shù)分別為15、11、36、39。用這些微齒輪裝配成了一臺模數(shù)為0.03 mm、減速比為44. 2、最大外徑為2 mm 的微行星齒輪減速器，并將其成功地應(yīng)用在直徑為2 mm 的電磁型微馬達(dá)上。
關(guān)鍵詞：3K- 2 型微行星齒輪減速器；微齒輪；L IGA；電磁型微馬達(dá)
微行星齒輪減速器可以降低微馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，提高微馬達(dá)的輸出力矩，是微機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部件。1994 年日本東芝技術(shù)研究所使用微細(xì)電火花技術(shù)(EDM ) 制造出了模數(shù)為0104 mm、減速比為44.2 的微行星齒輪減速器[ 1 ]；1998 年，上海交通大學(xué)用EDM 技術(shù)研制出了模數(shù)為0.06mm、減速比為44.2 的微行星齒輪減速器[ 2 ]。使用同步輻射光和X 射線掩模板的L IGA 技術(shù)能夠制造大深寬比的三維微結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)側(cè)壁陡峭，表面平整[ 3 ]。利用LIGA 技術(shù)的特點(diǎn)，我們又研制出模數(shù)為0.3 mm、最大外徑為2 mm 的3K- 2 型微行星齒輪減速器。
1 微行星齒輪減速器的設(shè)計
圖1 是微行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)示意圖，a、g、b、e 分別是太陽輪、行星輪、固定內(nèi)齒輪、旋轉(zhuǎn)內(nèi)齒輪。太陽輪是輸入輪，旋轉(zhuǎn)內(nèi)齒輪是輸出輪。輸入輸出同軸。
有3個理論中心距，分別是太陽輪和行星輪的理論中心距aag，固定內(nèi)齒輪和行星輪之間的理論中心距abg，旋轉(zhuǎn)內(nèi)齒輪和行星輪之間的理論中心距aeg。3 個理論中心距彼此不同，為了保證嚙合，在行星輪g 和別的齒輪之間必須有一個共同的實際中心距。顯然，實際中心距的最大值amax 和最小值amin 之間。為保證微齒輪的加工性和嚙合性，避免微齒輪干涉，我們設(shè)定微齒輪的變位系數(shù)是正值，旋轉(zhuǎn)內(nèi)齒輪的變位系數(shù)x e =0。因為旋轉(zhuǎn)內(nèi)齒輪的齒數(shù)最多，旋轉(zhuǎn)內(nèi)齒輪的變位系數(shù)取為0 可有效降低微減速器的尺寸�；谝陨显O(shè)定，我們在amax 和am in 之間插值，就可以得到實際中心距為[ 4 ]
a = amin + 0.76 (amax - amin)
有了實際中心距，根據(jù)通常行星齒輪減速器的計算公式[ 5 ] ，就可計算出微齒輪的參數(shù)。
2 X射線掩模板的CAD技術(shù)及加工
在用L IGA 技術(shù)進(jìn)行加工時，需要先制作出X 光掩模板圖形，掩模板圖形是通過矩形窗口在光刻膠上連續(xù)曝光而形成的。因此，用LIGA 技術(shù)制備微齒輪的第一步是要把齒輪進(jìn)行矩形分割，且矩形窗口在0.1～ 150μm之間(視掩模板曝光機(jī)技術(shù)參數(shù)而定) ，分割要包容所有的區(qū)域，只允許重疊，不允許遺漏，否則，曝光不到的地方將不能顯影成圖形，齒輪的制作也只能以失敗告終�；谝陨峡紤]，將各個微齒輪圖形分割成無數(shù)個長方形圖形，并在坐標(biāo)系中以五參數(shù)(M 、N 、Q、a、b)表示，其中M 、N 為長方形中心坐標(biāo)，Q 為長方形一邊與水平軸夾角，a、b 分別為長方形的邊長。太陽輪、行星輪、固定內(nèi)齒輪、旋轉(zhuǎn)內(nèi)齒輪分別被分割成1095、803、1548、1443 個曝光矩形窗口。這些矩形窗口轉(zhuǎn)化成曝光機(jī)可識別的加工數(shù)據(jù)文件輸出。圖2 是太陽輪、外輪齒分割圖，圖3 是內(nèi)齒輪、內(nèi)輪齒分割圖。</P
在鍍鉻玻璃板上用以上的圖形進(jìn)行紫外曝光，形成制作微齒輪X 光掩模板的過渡掩模板。在硅表面生長5 Lm 的金剛石膜作為L IGA 掩模板的支撐膜，在金剛石膜上濺射Cr 和FeN i 作為電鍍起始層。然后，甩光刻膠、曝光、顯影、鍍金10Lm。在硅片背后開窗單面腐蝕至金剛石膜終止可得L IGA 掩模板。
3 X 射線深層光刻和微電鑄
用以上的微齒輪LIGA 掩模板作掩模，PMMA 作為光刻膠，使用中國科學(xué)院高能物理研究所同步輻射裝置的X 射線作光源(該同步裝置儲存環(huán)能量為2.2 GeV ，電子束流強(qiáng)為80mA)，進(jìn)行曝光試驗。然后顯影并電鑄鎳，為使電鑄時電流密度均勻，在設(shè)計時對原無孔的行星輪中間加了φ0.15 mm 小孔，以使鑄后結(jié)構(gòu)完整，質(zhì)地致密，表面光滑。
4 微復(fù)制
微復(fù)制可以得到大深寬比的微結(jié)構(gòu)[ 6 ]。微復(fù)制所需要的塑料材料成本低、種類多。我們的研究工作是在真空熱壓系統(tǒng)下進(jìn)行的，設(shè)備簡單、塑料用量少、對模具的影響小、微結(jié)構(gòu)容易加工。圖5 是微復(fù)制原理圖。在得到金屬模具后，微齒輪的微復(fù)制工作就可以開展。
模壓工藝中，模壓溫度、模壓壓力和時間、脫模溫度、脫模速率和距離都是決定模壓效果好壞的因素。對于非結(jié)晶塑料，其模壓溫度應(yīng)達(dá)到其玻璃化溫度(T g) 以上。對于結(jié)晶性塑料則其模壓溫度應(yīng)達(dá)到其融熔溫度(T m ) 以上，這樣，塑料中大分子鏈的鏈段運(yùn)動才能充分發(fā)展，塑料相應(yīng)處于高彈態(tài)，在較小的壓力下，即可迅速發(fā)生較大的形變。在脫模時，為了保證塑料微結(jié)構(gòu)有足夠的力學(xué)性能而不至于在脫模過程中損壞，脫模溫度應(yīng)低于塑料的T g 或T m ，否則微結(jié)構(gòu)沒有足夠的強(qiáng)度[ 7 ]。但如果脫模溫度過低，則增加了不必要的加工周期，而微復(fù)制的效果并沒有得到明顯的改善�；谝陨显瓌t，我們使用PC、PMMA、PMMA (黑)、PVC、PS 進(jìn)行了多次模壓試驗，得到表2 所示的模壓工藝參數(shù)。
5 微減速器的微裝配
在得到金屬鎳微齒輪后，經(jīng)清洗，即可組裝成微行星齒輪減速器。由于要在內(nèi)徑φ1.5 mm 的孔中把模數(shù)僅0.03mm 的4 種微齒輪進(jìn)行裝配，并且還要和< 2mm 的微馬達(dá)相連，所以必須在顯微鏡下用特殊的工裝進(jìn)行。微馬達(dá)通過φ0.25 mm 的軸和太陽輪相連作為輸入，微減速器的輸出軸直徑為0.5mm，采用寶石軸承，以減小摩擦。這樣，減速比為44：2 的微行星齒輪減速器可和φ2mm 的微馬達(dá)共同組成一個微驅(qū)動器。
