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基于LIGA技术的微行星齿轮减速器的设计和制造

基于LIGA技术的微行星齿轮减速器的设计和制造

2008/2/18 17:04:00
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  
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。 -->
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