MEMS加工技術(shù)在機(jī)械手表制作中的應(yīng)用

　　兩百年前，機(jī)械手表有如今天的微電子技術(shù)曾是高科技的象征。至今機(jī)械手表的設(shè)計(jì)與制造也還具有一定的挑戰(zhàn)。這主要是因?yàn)橐詸C(jī)械的方法來(lái)計(jì)時(shí)，機(jī)械性能必須準(zhǔn)確掌握；加之機(jī)械手表的器件小、能耗大，制作難度也大。近年來(lái)，將MEMS微細(xì)加工技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械手表尤其是擒縱機(jī)構(gòu)零部件的制作引起了極大的關(guān)注。其中兩種技術(shù)，即基于SU8膠的紫外LIGA技術(shù)和深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

　　它們對(duì)機(jī)械手表的新型機(jī)心設(shè)計(jì)、新材料、新功能的引入產(chǎn)生了很大的促進(jìn)作用，目前已是高端手表零部件加工制作的優(yōu)先研究發(fā)展方向。本文將分別介紹這兩種技術(shù)及其在機(jī)械手表制造中的應(yīng)用，并且指出其當(dāng)前的存在的問(wèn)題和今后發(fā)展方向。

　　基于SU8膠的紫外LIGA技術(shù)

　　基于SU8膠的紫外準(zhǔn)LIGA技術(shù)是改進(jìn)了的LIGA技術(shù)（后稱UV-LIGA技術(shù)），它采用SU8負(fù)膠（如Microchem公司的2100、2075 系列）進(jìn)行傳統(tǒng)的深度紫外線曝光，實(shí)現(xiàn)大高寬比微結(jié)構(gòu)的制作，加工厚度可超過(guò)1000微米。這一技術(shù)大大的降低了工藝設(shè)備的成本，是一種很有發(fā)展前途的 MEMS制作技術(shù)， 因而越來(lái)越引起人們的重視。采用UV-LIGA技術(shù)進(jìn)行機(jī)械手表零件的制作過(guò)程可用圖1來(lái)描述。

　　圖1 基于SU8的紫外準(zhǔn)LIGA技術(shù)制作機(jī)械手表零件（1）SU8膠光刻圖案；（2）顯影；（3）電鑄；（4）去膠。

　　與傳統(tǒng)的加工技術(shù)相比，UV-LIGA技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

　　（1）可精確地制作任意形狀的平面部件： 制作過(guò)程中，部件的形狀是由掩模光刻的方式?jīng)Q定，因此各種形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多變的零件都可以精確地制造出來(lái)，其精度也是傳統(tǒng)機(jī)械加工方式所不能作到的。這一特性對(duì)機(jī)械表的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了很大影響，各種創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，多功能集成部件都能得以實(shí)現(xiàn)。

　　（2）有陡直的側(cè)壁和良好的側(cè)壁表面光潔度：制作過(guò)程中，最終得到的電鑄金屬零件的側(cè)壁是通過(guò)復(fù)制SU8膠結(jié)構(gòu)得到，而SU8膠結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)紫外光刻下具有良好側(cè)壁準(zhǔn)直性（89土1℃）和非常光滑的側(cè)壁（表面光潔度約20~30納米）。因此，通過(guò)這種技術(shù)加工得到的零件，如齒輪在相互嚙合和傳動(dòng)的過(guò)程中具有很好的表現(xiàn)，能夠極大的減小摩擦，從而減小能量的損耗。

　　（3）低成本的設(shè)備投入：UV-LIGA技術(shù)往往被人們稱之為窮人的LIGA，這是因?yàn)樗柰度氲纳a(chǎn)設(shè)備成本相對(duì)較小，并且不需要使用產(chǎn)生高能量X射線所需的同步輻射裝置，只要普通的紫外光刻設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)。

　?。?）可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多樣化的設(shè)計(jì)及制作：在手表零件的設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中，工程師往往希望通過(guò)調(diào)整某些設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)驗(yàn)證某一設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的制作往往需要很多批次的制作來(lái)測(cè)試，耗時(shí) 并且昂貴。使用UV-LIGA技術(shù)，一次掩模的設(shè)計(jì)就可加入多種不同參數(shù)的零件，一個(gè)批次即可驗(yàn)證設(shè)計(jì)的成敗。因此，大大節(jié)省了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間和成本。

　?。?）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。

　　Mimotec SA是歐洲第一家采用UV-LIGA技術(shù)進(jìn)行微部件制作的瑞士公司，目前它的產(chǎn)品也主要應(yīng)用在機(jī)械手表領(lǐng)域。以下列舉了幾種通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)制作出來(lái)的手表零件。

　　UV-LIGA融合了光刻和電鑄成型技術(shù)，是主要的精密加工技術(shù)之一。它為精密部件提供了制作的高精度和設(shè)計(jì)的高自由度。近年來(lái)該技術(shù)用于手表部件的制作已引起了極大的重視。但是，該技術(shù)目前的局限在于微電鑄往往采用鎳材料，它硬度不夠并且有很強(qiáng)的鐵磁性，無(wú)法滿足手表機(jī)心部件的功能要求。因此，采用合金電鑄對(duì)材料加以改性，增加硬度，消除磁性等，成為目前的主要研究方向。

　　香港中文大學(xué)精密工程研究中心開(kāi)發(fā)了一種基于鎳磷的合金微電鑄技術(shù)，使之具有高硬度、耐磨耗和非磁性等性質(zhì)，滿足了高質(zhì)量手表機(jī)心部件的要求。相比純鎳材料，鎳磷合金有如下優(yōu)勢(shì)：

　　1）非鐵磁性： 高磷含量的合金（磷重量大于1%）具有非磁性質(zhì)，而純鎳材料具有很強(qiáng)的鐵磁性；

　　2）高硬度： 純鎳的硬度值在300HV左右，而鎳磷合金的硬度可達(dá)到600HV， 經(jīng)過(guò)熱處理，甚至可達(dá)到1000HV；

　　3）鎳磷合金還具有很強(qiáng)的耐磨性和良好的摩擦性能。

　　深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)（DRIE）

　　感應(yīng)禍合等離子體（ICP）進(jìn)行深度反應(yīng)刻蝕（Deep Reactive Ion Etching，縮寫(xiě)DRIE）是一種新的干法刻蝕技術(shù)，能夠?qū)⒐饪棠z圖形高精度的轉(zhuǎn)移到硅襯底上，具有刻蝕速率高和各向異性刻蝕等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái) MEMS制作技術(shù)又一重要技術(shù)。圖2是DRIE的工藝圖解，圖3是用DRIE制作的若干微結(jié)構(gòu)。

　　圖2 DRIE的干法刻蝕工藝圖解（1）光刻形成圖案；（2）離子深度刻蝕

　　圖3 用DRIE工藝制作出來(lái)的硅微結(jié)構(gòu)

　　近年來(lái)，DRIE技術(shù)也被用來(lái)制作機(jī)械表心的部件。尤其在擒縱機(jī)構(gòu)中，硅材料的引入帶來(lái)許多創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)。因?yàn)橄啾葌鹘y(tǒng)的金屬或者合金材料，硅材料具有下列優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）質(zhì)量輕，慣量?。阂虼丝捎米鞴?jié)能或者抗震要求高的零部件；

　?。?）低摩擦系數(shù)：能夠降低傳動(dòng)過(guò)程中的能量損耗；

　?。?）抗磁性：硅是沒(méi)有磁性的材料；

　?。?）非常低的熱膨脹系數(shù)：相比不銹鋼材料（約10~20 x 10-6/K），單晶硅只是其五分之一（3 x 10-6/K）；

　?。?）較高的模量：相比不銹鋼材料（約190~20O Gpa），硅或碳化硅可達(dá)450GPa；

　　（6）硬度高，耐磨損：?jiǎn)尉Ч璧挠捕瓤蛇_(dá)到1000HV以上。

　　另外，掩模光刻技術(shù)與DRI E技術(shù)的結(jié)合，也可以實(shí)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)，圖4是香港中文大學(xué)精密工程研究所用DRIE 制作的硅擒縱輪。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。

　　總體而言，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。

　　綜上所述，將MEMS加工技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械手表尤其是機(jī)心零部件的制作是近年來(lái)鐘表業(yè)革新的最大動(dòng)力，已引起了世界各大廠商極大的關(guān)注。其中兩種新興技術(shù)，UV-LIGA技術(shù)和DRIE技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，它們對(duì)機(jī)械手表的新設(shè)計(jì)、新材料、新功能的引入起了很大的促進(jìn)作用，現(xiàn)已成為高端手表零部件加工制作的優(yōu)先研究發(fā)展方向。當(dāng)然作為新興技術(shù)引入到傳統(tǒng)的機(jī)械手表行業(yè)，還面臨著很多技術(shù)上的困難和問(wèn)題，例如材料的韌性、可靠性，部件的配合組裝的精度等還要逐步得到解決和完善。