微机电器件激光固化自由成形技术

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：成形微机电器件的激光固化自由成形系统有以下两种：扫描式μSLA和掩膜投影式μSLA。掩膜投影式μSLA系统在掩膜投影式μSLA系统中，工件的整个截面层的聚合化由一次照射曝光完成。目前，掩膜投影式μSLA系统的成形件的横向分辨率已达到2μm，纵向分辨率已达到5μm，成形件的最大尺寸为10.24mm×7.68mm×20mm。图3-120 具有DMD芯片的微镜产生的角度图3-121 MPμSLA系统的成形件

成形微机电器件的激光固化自由成形系统（μSLA）有以下两种：扫描式μSLA（Scanning Micro Stereolithography Systems，SμSLA）和掩膜投影式μSLA（Mask Projection Micro Stereolithography Systems，MPμSLA）。

图3-117 扫描式μSLA系统

（1）扫描式μSLA（SμSLA）系统

在传统的SLA系统的振镜扫描装置中，有许多运动的光学器件，从而导致聚焦误差和不良的分辨率，在成形层截面上光斑尺寸不能保持恒定，横向分辨率取决于工件形貌相对料筒中心的距离。在扫描式μSLA系统中（见图3-117），为消除上述缺陷，使光束聚焦成固定的密集点，并且借助光点下的工件移动来实现层截面上的扫描。这种系统的主要技术参数通常如下：

UV光束的光斑尺寸为5μm，X-Y方向的定位精度为0.25μm，Z方向的定位精度为1.0μm，能固化的聚合物个体的最小尺寸为5μm×5μm×3μm，成形件的最大尺寸为10mm×10mm×10mm。

（2）掩膜投影式μSLA（MPμSLA）系统

在掩膜投影式μSLA系统中（见图3-118），工件的整个截面层的聚合化由一次照射曝光完成。工件CAD模型切片所得截面图形被转换成位图文件并输入至动态掩膜（dy-namic mask）。此掩膜是动态图像发生器（dynamic pattern gen-erator），能使光源发出的光束成像，以便显示相应切片层的截面图形。

目前常用的动态掩膜为数字微镜元件（Digital MicromirrorDevice，DMD，见图3-119），它是由许多铝金属小反射镜组合而成的阵列芯片，每个反射镜悬浮在一个可编程的CMOS型静态随机存储记忆体（SRAM）的顶部，小反射镜有两个允许位置，以便向两侧偏转（倾斜）10°（即＋10°或－10°）。切换施加于单个反射镜上的电压，小镜能在两个稳定位置之间快速转换，从而能将入射光从两个方向反射出去，达到反射光点通—断的效果，即：使入射光反射进入或远离聚光透镜的透光孔（见图3-120）。因此，DMD构成一个半导体记忆光学开关，能有效而精确地控制光束的行径（即对光束进行调制），产生黑—白数字光学影像输出，此影像对应于工件切片层图形的掩膜图形。然后，此调制的光束经过聚焦光学器件，使图形缩影并聚焦于系统储液箱中液态光敏树脂的表面，由此固化的一层截面相应于掩膜上显示的图形。

也可用基于LCD（液晶显示器）的空间光调制器（spatial light modulator）作为动态掩膜。与LCD相比，DMD的优点是：较小的像素尺寸，像素之间的间隙较窄，因此有较高的分辨率和较好的亮度一致性；超平的铝微镜对于紫外光有很高的调制效率；有很高的切换速度（约15μs），因此对曝光时间的控制更精确，非常适用于高分辨率的MPμSLA系统。

目前，掩膜投影式μSLA系统的成形件的横向分辨率已达到2μm，纵向分辨率已达到5μm，成形件的最大尺寸为10.24mm×7.68mm×20mm。

与扫描式μSLA系统相比，掩膜投影式μSLA系统有以下优点：①成形速度快，这是因为扫描式μSLA系统的矢量扫描过程较慢。②成形件精度较好，这是因为避免了X-Y移动工作台导致的误差，移动件仅有Z向工作台。