[发明专利]微齿轮制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微齿轮制造方法。

技术背景

通常，将微齿轮外形尺寸特征大小在1μm～10mm之间称为微型 微齿轮，随着微型微齿轮的应用越来越广，特别是微机电系统 (MEMS)、电子工业等领域的迅速发展，使得微齿轮制造和微成型 技术成为业界重点研究的对象。

目前，微齿轮的微细加工技术主要包括电化学微加工、激光加工 技术和基于金属或非金属的精密机械加工。飞秒激光双光子微细加工 就是激光加工技术的一种，其在三维微细加工领域具有明显优势。飞 秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，其持续的时间非常短，通常只 有几个或几十个飞秒。飞秒激光双光子微细加工是通过光固化液态树 脂形成固化点，在扫描液态树脂固化加工时，由一个个的固化点连续 扫描、固化成型，由点成线，由线成面，最后得到相应形状的微齿轮。 在扫面过程中，扫描进给的速度越小，侧向步长越小，则固化成型的 精度越高，表面质量越好。

但是，飞秒激光双光子加工技术加工微齿轮时是串行加工技术， 因此效率低、成本高，而且飞秒激光加工的材料只能是聚合物(如液 态树脂等)。

发明内容

为克服现有技术的效率低、成本高、只能获取聚合物微齿轮进行 加工的缺点，本发明提供了一种效率高、成本低，可以大批量获取微 齿轮的制造方法。

微齿轮制造方法，包括以下步骤：

1、通过飞秒激光双光子加工技术制作聚合物材料的微齿轮；

2、以聚合物微齿轮为模型进行微电铸，以获得金属材料的微齿 轮母模；

3、将液态塑料注入金属微齿轮母模中，将液态塑料冷却固化成 型，脱模即可获取塑料齿轮。

进一步，步骤1中制作聚合物材料的微齿轮包括以下步骤：

1.1、将用CAD绘制的齿轮三维图形导入到飞秒激光双光子系统 的控制计算机中作为即将固化成形的零件；

1.2、选用液态树脂材料，将材料进行烘干前期处理，在90℃烤 箱中烘烤25分钟，将其放在载物台上；

1.3、选择飞秒激光双光子的物镜为50×，数值孔径为NA＝0.85， 入射功率为20mW产生飞秒激光双光子；

1.4、首先固化成形载物台接触面上的一层，将飞秒激光双光子 的中心与载物台面重合，此时在垂直于XY水平平面的Z方向上，固 化点水平中心平面与载物台面重合，因而固化点水平中心平面上方的 一半形成固化层；

1.5、在X、Y方向上，扫描进给步距和侧向步长均为100nm；

1.6、当扫描完一层后，在Z方向上，固化点的中心上升高度为 350nm，这样逐层扫描固化，完成整个微齿轮的固化成形加工；

1.7、利用质量分数为6％的NaOH溶液清洗显影加工完成的微齿 轮5分钟，即可得到聚合物材料的微齿轮。

进一步，步骤2中微电铸得到金属微齿轮母模包括以下步骤：

2.1、在聚合物材料的微齿轮表面覆盖一层10纳米厚度的镍导电 种子层，导电种子层与电源负极相连，电源正极接金属镍；

2.2、在微电铸池中加入微电铸液；

2.3、铸液PH值为3.8～4.5；温度58～62℃；电流密度2.5～3A/dm²； 铸液循环速度100L/h；

2.4、接通电路开关，微电铸过程开始，铸液中的金属不断附着 在阴极的导电种子层上，阳极的金属不断溶解在铸液中，直到微电铸 齿轮充满微齿轮母模。

2.5、脱模获得材料为金属的微齿轮母模。

进一步，步骤2.3中，为铸造出材料为镍的微齿轮母模，以氯化 镍溶液(350g/L)作为微电铸液；

进一步，步骤3中，在电铸开始前，在微电铸液中加入硼酸 (30g/L)，目的是为了保持电铸液的PH值恒定，防止镍离子在阴极 基体附近析出碱性物质造成铸层疏松；

在微电铸液中加入十二烷基磺酸钠(0.03g/L)作为表面活性剂， 目的是减小表面张力，因为表面张力一方面会导致铸液不易进入微 孔、微槽，另一方面会影响阴极所生成气泡的排出，从而使电流波动 导致电铸质量降低；

在微电铸液中加入双氧水(浓度30％)0.5ml，目的是防止或减 少阴极析出氢气。