引言

　　微小機械(micromachines)或微機電系統(tǒng) MEMS(microelectromechanicalsystems)是80年代興起的一個邊緣性、交叉性的高技術研究領域陡蝇。自20世紀80年代以來茁螺，小型化、微型化成為機械進化的一個主要方向仆洞，因此众附，微小機械被美國、日本甘直、德國等發(fā)達國家列為21世紀的重點發(fā)展學科刮跟。目前，國內外對微小機械的研究主要集中在微小機械理論呐蹂、結構設計唬垦、微細加工工藝以及微小機械的應用探討等方面[2-3]。

　　微小機械制造中常用的是半導體技術，半導體技術存在著：可制作的零件主要為平面型些吨，難以形成三維復雜結構畸玲，難以實現(xiàn)空間機構制作，不能適應微機器人等高級微機械的制造要求林葬；設備投資大揭胶；單件、小批生產成本高等問題鞍爱。因此鹃觉，各國都在探索制造三維復雜零件的新路子。

　　快速成型RPM(rapidPrototyping＆ manufacturing)技術是80年代后期發(fā)展起來的一項快速設計及加工技術[1]睹逃〉辽龋快速成型加工的核心思想是將二維的實體分解成二維，逐層加工沉填、堆積疗隶，最終形成原型。這種制造技術的最大優(yōu)點是能快速地制造三維復雜零件翼闹，恰恰能彌補硅技術的不足斑鼻。近幾年，日本等國已開始進行將快速成型技術作為微小機械的微細加工工藝的探討[4]猎荠，而關于光成型技術在微小機械加工中的應用研究卵沉，國內還未見研究報道。

　　本文報道關于光成型技術用于加工微小機械可能性的探討結論法牲，以及對微小機械光成型系統(tǒng)如下問題研究的進展[5]：

　　(1)光成型方式、切片方式及數(shù)據格式足贴、光束掃描方式牡泡、液面控制方式等特殊工藝問題；

　　(2)系統(tǒng)構成及調試哮寨；(3)光成型工藝實驗尔产。

　　1 微小機械光成型加工的可能性及其特殊工藝問題

　　1.1微小機械光成型加工的可能性

　　本文采用的微小機械定義為：總體尺寸約l立方厘米以下，零件最小長度在10微米左右瞎遗，結構高度集成化每此，由計算機進行智能控制的機械。與普通的機械相比截纹，微小機械在加工方面的特點是：尺寸小形维，要求高的加工分辨率(能夠獨立進行加工的兩點間的最小距離)和大的加工自由度(可加工零件形狀的復雜程度)。

　　下面將常用微細加工技術的分辨率贬屹、可加工形狀及存在的主要問題等歸納為表1塞秤。

　　1.2微小機械光成型加工的特殊工藝問題

　　(1)成型分辨率與固化單元

　　微機械加工中的一個重要指標是分辨率癌炒。在快速成型制造中民珍，我們把它區(qū)分為掃描分辨率及成型分辨率陋桂。成型分辨率是指成型的最小單位章喉；掃描分辨率則指掃描機構移動的最小距離。在微機械光成型系統(tǒng)中引人光固化單元的概念：光固化單元是指一個激光斑點照射在光敏樹脂上所固化的樹脂體積摊唇，固化單元越小，成型分辨率越高神肖。

　　(2)光成型與光束掃描方式

　　光束掃描方式一般分為光柵掃描和矢量掃描兩種排憨。矢量掃報是線成型翻粘，成型分辨率低c光柵掃描是點成型，使激光束按一組平行光進行掃描坎隶，光束按開閉方式控制，以此來得到任意的三維形狀皇筛。光柵掃描法易于控制及提高成型分辨率旗笔，但制作大型成型物的時間將大幅度增加。為提高成型分辨率撮弧，并克服掃描時間長的缺點，本系統(tǒng)采用改進的光柵掃描方式冈哮，其特點為：因光柵掃描式的加工時間與掃描面積大致成比例，為縮短加工時間吻唐，掃描路徑按僅對加工物內部掃描設計；為消除掃描器的SACKRASH泥贷。采取如圖l所示的同方向光柵掃描方式肪麦。光成型方式還有掩膜面固化等。作者將光成型方式帐扯、特點及所用光譜光源等歸納如表2所示。

　　本研究萊用與光固化單元相對應的點固化光成型方式趾赡，用紫外激光器為光源赴辨。

　　(3)切片方式及數(shù)據格式

　　一般的RPM系統(tǒng)采用STL數(shù)據格式：先對CAD模型進行小二角形面模型的離散網格化逼近，生成與原三維實體近似的一系列小三角形數(shù)據信息的STL文件好勤，再對STL文件進行切片處理捣域。由于小二角形不可能完全表達實際曲面，會產生無法補償?shù)木葥p失宴合。此外焕梅， S丁L格式轉換時會出現(xiàn)局部缺陷，有些缺陷較難以修復c本系統(tǒng)直接對CAD模型進行切片分層，采用BMP(bitmap：位圖)數(shù)據格式贞言。由于是直接切片斜棚，可避免類似STL法的逼近誤差和描述缺陷的產生；而BMP數(shù)據格式與固化單元和光柵掃描方式直接對應该窗，有利于提高固化單元精度弟蚀。

　　(4)液面控制方式

　　液面控制分自由液面式(一般的RPM系統(tǒng)采用自由液面式)和約束液面式兩種

　　自由液面式使光從上至下照射酗失，工件向上生長义钉。由于液面不受約束，在一層加工完之后需專用的液面刮平裝置规肴，工件會受到液面表面張力的影響捶闸，使垂直方向的液體厚度不宜控制，從而降低該方向的分辨率塞姻；而且每一層都暴露在大氣中蚌长，易進入灰塵，也會降低分辨率卸能。約束液面式將工件限制在基板與光窗之間括柿，光束自下而上照射，工件則向下生長(3由于排除了液面表面張力的影響延坡，有利于垂直分辨率的提高饲丢，適合于微小機械的制作。但這樣也帶來了每層固化后成型件與光窗不易分開舵博，以及光窗會吸收一部分光能等問題(這些問題的解決將在2.2實驗系統(tǒng)的構成及調試”中說明)蜻弧。

　　2 微小機械光成型系統(tǒng)

　　2.1光成型工藝系統(tǒng)

　　本文在對微小機械光成型特殊工藝問題研究的基礎上，提出了適用于微小機械光成型的工藝系統(tǒng)蟆盖，與通用的RPM系統(tǒng)比較吓挣，此工藝系統(tǒng)具有

　　2.2實驗系統(tǒng)構成及調試

　　微小機械光成型實驗系統(tǒng)的設計基于以下原則：設備構造力求簡單化；包括激光器在內的所有成型設備零部件均采用國產品多梦，以利于降低研制成本奄础，開創(chuàng)微小型光成型系統(tǒng)國產化的路子。

　　微小機械光成型實驗系統(tǒng)構成的框圖如圖3所示劳吠，圖4為實驗系統(tǒng)全貌照片引润，圖5為激光器、工作臺痒玩、光路系統(tǒng)和樹脂槽等部分淳附。實驗系統(tǒng)各組成部分的構成、功能及規(guī)格等如表4所示蠢古。

　　實驗系統(tǒng)調試主要解決了如下問題：

　　(1)成型件與光窗的分離

　　采取在光窗表面涂復樹脂的方法奴曙，并進行了光窗表面涂復材料種類及涂復分式的實驗别凹。涂復材料包括氟化物及硅化物等；涂復方式有樹脂直接涂復洽糟、用樹脂膠帶或薄膜 (統(tǒng)稱為tape)粘貼等炉菲。涂復材料應具有透明性、分離性脊框、耐熱性等綜合性能指標颁督，涂復方式應簡單易行。經過對比實驗浇雹，確定了在光窗表面粘貼 Teflon(聚四氟乙烯)tape的最適宜方案沉御。這種粘貼方案具有綜合性能好、樹脂粘貼均勻依筝、效果好以及使用方便等優(yōu)點芋甸。

　　(2)光窗粘貼材料的對比

　　對日本產(3MScotckTM)和國產(泰州有機氟材料廠)Teflon薄膜進行了對比實驗，得出了國產Tcflon薄膜亦可作為光窗粘貼材料的結論剪莲。

　　(3)光窗材料與透光實驗

　　光窗材料對光化學反應所需波長的光應有高的透射率谬咽，經過對普通玻璃與石英玻璃的透光對比實驗，決定選用對紫外光透射性好的石英玻璃作光窗材料众新。

　　(4)高頻干擾分析及抗干擾措施

　　對脈沖式氮分子激光器產生的高頻干擾進行了分析麸癌，診斷出此干擾源的特征為：干擾頻率達近百兆，瞬間幅值高達100伏弄袜。采取了如下所示的相應對策性躬；采用有針對性的屏蔽措施隔離—消除干擾源；用合理的接地方法來切斷及阻礙干擾的鍋臺通道：設置濾波器女溺、使用屏蔽線等以減小接收電路對干擾的敏感性等俱挨，取得了較好的抗干擾效果。

　　2.3光成型工藝實驗研究

　　經過實驗模索敛竭，掌握了較為合理的微小機械光成型工藝規(guī)模漓拾，將其歸納為如下操作步驟：

　　(1)基準找正

　　基板上開有找正用的若干基準孔；移動升降臺(Z向工作臺)使基板略高于光窗戒祠，移動曝光頭骇两，使其與基板上的基準孔重合。

　　(2)基礎部加工

　　使升降臺盡可能靠近樹脂槽光窗姜盈。使基板與光窗縫隙中的全部樹脂固化脯颜。采用大曝光量，基礎部的水平方向尺寸大于加工物水平方向尺寸贩据，使基礎部與基板問有較大的接觸面積，保證成型物可牢固地固定在基板上闸餐。

　　為避免光窗表面處理層及樹脂由于吸收過多熱量而造成燒傷和變質等破壞現(xiàn)象饱亮，使聚光透鏡酌焦點離開材脂矾芙，改善散熱條件從而抑制溫升。

　　因基礎部與光窗接觸面積大近上，粘著力也大剔宪，二者分離時易引起光窗表面處理層破損。為此壹无，基礎部每固化一定面積粱储，就使升降臺上升、下降一次启中，從而使每次分離時的粘著力都不致過大庭训。在基礎部加工過程中，操作者應頻繁中斷加工疯食、確定加工狀態(tài)恰日，避免工件與光窗分離不開的事故發(fā)生。

　　(3)形狀部加工

　　較之基礎部加工梅明，采用小曝光光斑和小曝光量姐淫，以提高分辨率。

　　使工件內部的曝光條件均一化乳环，匠泵、使得二次固化時的變形只是單純的相似變形。

　　采用改進的光柵掃描倘回、脈沖曝光方式了酌，掃描器可直接移動到固化單元位置。

　　升降臺下降時工件與光窗間樹脂受擠壓危号，上升時受壓牧愁，容易造成光窗表面處理層或工件的損傷因此，上升開始及下降終止時都應有一段緩沖外莲，約需幾秒鐘猪半。

　　(4)超聲波丙酮清洗

　　(5)紫外光二次固化

　　本實驗系統(tǒng)已調試成功，并進行了微試件的成型試加工偷线，試加工目的為：驗證掃描系統(tǒng)是否能夠按設定固化單元數(shù)掃描(包括BMP數(shù)據格式的合用性)磨确；確認Z方向的層厚；驗證成型件與光窗的可分離性声邦；觀察固化狀況乏奥，確認有無未固化樹脂夾在固化層中；以及成型物形狀的規(guī)整性等亥曹。微試件的形狀為圓柱邓了、橢圓柱、三角柱型和平行六面體媳瞪，面尺度為2—3mm2左右骗炉。

　　試加工的結果表明：實驗系統(tǒng)可正常運行照宝，X—Y平面掃描及Z向層厚控制均符合設計要求，樹脂固化均勻榛覆，成型件能很好地與光窗分離巫顽，成型物外觀形狀規(guī)整。但這僅僅是初步的試加工跃等，微試件形狀尚簡單菲痹，更復雜形狀的微零件，以及利用微機械尺度效應直接制造微機械的實驗工作正在進行之中喉投。此外编毒，成型分辨率和掃描分辨率還不夠高，究其原因建鹿，是由于在激光器的選擇坎谱、光路系統(tǒng)的設計，以及工作臺的設計制造等方案的制定時受到了研制經費的限制捍瘩。目前念婶，我們正在開展如下工作：減小激光束光斑尺寸以獲得高的成型分辨率．改善工作臺精度以提高掃描分辨率。

　　3 結論

　　本文探討了光成型法用于微小機械制造的可能性署弯。在對微小機械的光成型微細加工工藝分搞、系統(tǒng)構造及調試以及光成型工藝實驗等研究的基礎上，制作了國內第一臺微小機械光成型實驗系統(tǒng)荚坞。系統(tǒng)所用元部件均為國產件挑宠，探索了低成本微小型光成型系統(tǒng)制造的路子。

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