空气轴承精细铜管内表面凹槽的微加工Word格式.docx

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ToshiyukiHoriuchi*,YuyaSuzuki

（TokyoDenkiUniversity,5Senju-Asahi-cho,Adachi-ku,Tokyo120-8551,Japan）

Abstract：

Applicabilityoflaser-scanlithographyontoinnersurfacesofsmall-diameterpipeswasinvestigatedbyfabricatingfineair-bearinggrooves.Herringbonepatternswithameanwidthof28lmwerepreciselyformedoninnersurfacesofcopperpipeswithaninnerdiameterof2mmusinglaserdirectwritinglithographyandsequentelectrolyticetching.Thepipewascutandmachinedtoabearingbushing,andarotorwiththeair-bearingbushingwasfabricated.Analuminumhollowshaftwasinsertedinit,andtherotorwassupportedbytheairbearingandmagneticthrustbearingsplacedatthebothsides.Asaresult,therotorwasrotatedverysmoothlywithahigh-speedofmorethan20,000rpmbyblowingairtotherotor.Usingconventionalmachiningtechnology,itisdifficulttoformpreciseherring-boneshapegroovesontoinnersurfacesofsuchfinepipes.Itwasdemonstratedthatthecombinationofinsidelithographyandelectrolyticetchingwasveryusefulforfabricatingmicro-mechanicalcomponentsrequiringprecisepatterningontheirinsidesurfaces.

Keywords:

AirbearingAerostaticjournalbearingInnersurfaceInsidelithographyLaserlithographyElectrolyticetching

1.引言

在小管径管道内表面上加工精细纹理或凹槽非常困难。

即使机械刀具能够被安置在管道内部，并且从几何意义上讲可以进行驱动，管道的最小内径也会受到刀具和轴尺寸的限制。

除此之外，由于剪切力是作用在精细的样品管上，它们会发生变形，或者支撑样品管的工作台会突然移动，这些都是需要预先考虑的。

另一方面，采用激光扫描光刻技术，任何精细的抗蚀图案都将划定在内径不足1毫米的管道内表面上[1,2]，而这些管道不承载任何外力。

此外，如果管道内表面被抗蚀图案标记后能够适当地电解蚀刻，就会得到精确的细凹槽[3-5]。

一般认为上述的内刻技术和电解蚀刻技术可以用于轴承内沟槽的加工[6-10]。

特别是被称为“人字”的成对的斜向平行线槽，我们期望它能适用于高速空气轴承或者静压轴承。

事实上，本文提到的内径2毫米的铜管道的内表面上的细人字槽就是这样加工出来的。

此外，管道都被截取的很短，然后制造成轴套。

轴套固定在转轴中心位置，其中插有铝制空心轴。

铝制空心轴和管壁上的孔洞供气，轴由两对人字轴承支撑。

转子的重量通过几对强度较大的钕部件支撑。

因此，在鼓入空气作为转子驱动力时，转子会以超过20000rpm的高转速平稳转动。

与没有配备空气轴承的转子相比，转动速度的变化和波动会减小很多。

2.精细管内表面上光刻技术

在精细管内表面上所采用的激光扫描及光刻技术的原理如图1所示，用于研究的手工曝光系统如图2所示[2]。

使用波长为408纳米的半导体紫色激光作为曝光光源（激光：

TC20-405/20-4.5/15，控制其型号：

DPS-5004）。

所发射的光通过一个直径为423微米的针孔被改变形状，通过使用2倍目镜和10倍物镜的组合，将样品管内表面的图像放大20倍。

在从另一端插入管道的反射杆的45度的地方，激光束发生变向，然后在样品表面生成一个直径大于为针孔尺寸1/20的圆形光斑。

使用来自照射点的反射光，在CCD相机上会生成一个样品管上的照射光斑图像，曝光光斑的尺寸和形状会在曝光前和曝光中被监控。

根据程序指令，图案划定是通过精细样品管自动移动实现的，样品管卡紧在旋转工作台和线性工作台上。

东京应用化学公司使用阳性的PMERP-LA900PM作为抗蚀剂，这种药剂采用侵染法涂在样品表面。

一旦样品垂直浸入抗蚀剂溶液中，就会以恒定速度从溶液中拔出。

当抗蚀剂曝光在激光下，将样品垂直浸入显影剂PMERP-7G中，图案就被划定了。

PMERP-7G是一种特殊的浓度为3%的四甲基氢氧化铵（TMAH）的溶液。

图1精细管内表面上扫描曝光系统原理

图2用于研究的手工制作曝光系统

3.管道内部蚀刻

样品管内表面加工完抗蚀图案后，在电解蚀刻剂中发生蚀刻。

蚀刻剂是一种含有氯化钠、氯化铵和硼酸的水溶液[3]。

尽管被抗蚀剂图案从外表面标记的管能够很成功地完成蚀刻，但应用这项技术从内部发生蚀刻还是很困难的。

当外部发生蚀刻时，样品管是用作牺牲的阳极安置在圆柱状的铝阴极周围，如图3所示。

另一方面，为了从管内部蚀刻，弄清楚阴极应该安放的位置和如何连接电源与阴阳极之间的电源线是很有必要的。

然而，图4展示了一种经过了相当长的研究后人为设计的方法。

本研究中样品管用作阳极，插入其中的铝棒用作阴极。

根据式

（1）所示，当在阳极铜管上加电压后，铜原子被电离并从管表面移除。

根据式

（2）所示，铜离子的出现产生了更复杂的盐。

CuCu2++2e-

（1）

Cu2++4NH3[Cu（NH3）4]2+

（2）

在电解蚀刻过程中，如果施加在阳极上的回路电压断掉，蚀刻会立刻停止。

除此之外，在对腐蚀电流进行监控时，就能比较容易地判断蚀刻过程的终点。

因此，实际的蚀刻时间可以严格控制。

抗蚀剂涂在从管端起长度为20毫米的部位。

出于这个原因，在铝阴极管没有抗蚀剂涂层的部位覆盖有绝缘胶带。

由于局部蚀刻速度会受到阴阳极之间距离的影响，将阴极机械定位在如图4所示的阳极管的中心。

图3从外部进行电解蚀刻的管道

图4在铜管内表面发生电解蚀刻。

铜管作为阳极，其中插入一根铝阴极管。

阴极管的位置在样品管中心进行机械调整。

4.轴承凹槽的加工

空气轴承上会形成人字形状的图案。

抗蚀剂厚度大约为10微米，扫描速度保持在每秒200微米，在样品前测定的激光曝光光功率为65微瓦。

平行的15组空间图案与轴线成正负60度角在管内的整个圆周上形成。

如图5所示，样品管被固定在铜块的中心以便于观察和测量图案，并且利用铣床将它们从轴线方向切开。

可以通过光学显微镜观察图案的前视图，然后利用经过测量标准刻度盘校准的宽度测量软件测量图案的宽度。

图5观察管道内部的方法

在过去的研究中，通过以一个恒定的速度持续移动样品管，螺旋图案的划定相当简单[2]。

相反，对于加工人字形凹槽需要划定许多离散型的图案。

一旦出现离散型图案，就要频繁关闭曝光扫描。

然后，如果用于扫描样品曝光的工作台停止工作，激光将对样品上的同一个点持续曝光。

出于这个原因，必须利用快门抓住合适的实际或者与工作台同步启动、暂停来停止曝光。

如果不是这样，空间图案就会收缩成椭圆形或者产生火柴头状的凸起。

如图6所示，当曝光快门只是在启动工作台前手动开启和停止工作台后手动关闭，图案会曝光过度，实际形状变得像火柴头一样。

从另一方面讲，当快门的开启和关闭是自动控制的，时机也适合的话，最后生成的空间图案都具有良好的形状且没有任何的凸起，即如图7所示。

因为切管试样在管侧部分的前视图发生变形，如图8所示，就只能评估空间图案中间部分的宽度。

图9展示了图案的宽度是均匀的。

图案的平均宽度为24.8微米，三个方向上的偏差为1.9微米。

包括其他试样的平均值和偏差值都被计算出来。

此外，我们还对蚀刻后轴承凹槽进行了评价。

蚀刻电压为5伏，蚀刻时间为300秒。

由于被切开用于观察内部的管试样不能用于蚀刻，为了这项研究我们加工了其他的样品。

图10展示了蚀刻过的轴承槽的图像。

沟槽图案的边缘是光滑的且宽度足够均匀，如图11所示。

然后就得到了均匀性几乎相同的抗蚀剂图案，平均宽度为28微米，三个方向上的偏差为2.7微米。

图6使用手动快门沟槽图案变成火柴头状

图7在涂有抗蚀剂的铜管内表面上形成的人字形状的裸露图案。

当使用自动快门且开关的时机合适时，图案会变得自然。

图8图案宽度测量点的示意图

图9在涂有抗蚀剂涂层的铜管内表面上生成的轴承图案的宽度分布

图10经过蚀刻的铜管内表面上生成的人字形轴承图案

图11经过蚀刻的轴承凹槽图案的宽度分布

对涂有抗蚀剂涂层和蚀刻过凹槽图案的平均宽度的不同进行评判，经过计算可得蚀刻深度大约为1.6微米，据此可以假设湿法蚀刻的进行具有各向同性，并且一边的咬边几乎与深度相等。

然而，因为用于评估的样品各不相同，其真实的深度、均匀性和重复性应该在今后进行详尽地评估。

5.对于空气轴承的适用性

为了证实带有人字形凹槽的管试样能作为空气轴承的套管使用，将它们加工成套管并固定在转轴上，如图12所示。

将空心轴作为固定轴线插入套管中，然后利用钕磁体使转轴在轴线方向悬浮起来。

空气轴承所需的空气通过空心轴和小孔进入轴承的位置。

轴的转动是以手动鼓入空气带动轴的旋转，如图13所示，使用光电耦合器计算通过轴肋的次数以测量转速。

如图14展示，轴在最高转速达到21000rpm时仍然可以平稳的旋转。

一般认为高转速所引起的附加波动是由鼓入驱动空气的手动控制和手工制造的转轴的形状误差造成的。

相比之下，当空气轴承没有凹槽时，会出现危害性较大的滑移现象，而且也达不到使用空气轴承时的转速。

因此，这就证实了经过加工的空气轴承非常有效。

轴的转速取决于轴本身的重量和驱动力的大小。

在将来如果有必要的话，还可以增大它们以获得更高的转速。

尽管这次轴承所用的空气是通过空心轴提供，但在很多情况下，轴都是由电机或其他动力驱动。

因此，应避免任何空气管和供气密封所引起的轴的扰动。

此外，如图15所示，若通过小的鼓气孔向尺寸大小适宜的浅槽鼓入静压空气，空气轴承足以支撑大载荷。

由于凹槽在工作时就相当于一个空气袋，通过压力支撑轴的总接触面积大大增加了，从而保障性大大提升。

因此，内部光刻技术必须依赖高转速和承载稍重载荷的小直径转轴。

再者，就承受各个方向上载荷的旋转式空气轴承而言，最好是受到各方向上均匀的支撑。

如果空气轴承上有许多人字形凹槽，转轴就由环空内所有空气支撑。

此外，就人字形轴承而言，由于凹槽与旋转方向不断重叠且倾斜，支撑力不会产生波动。

图12带有空气轴承轴套的手工转子

图13用于研究经过加工的空气轴承性能的试验

图14配有空气轴承和无空气轴承的轴的转速稳定性对比

图15能适应各方向上重载荷的空气轴承凹槽的结构示意。

人字形凹槽应作为静压袋安置在轴套或外部环空一侧，而不是在轴一侧。

6.结论

本文研究了内部光刻技术在加工空气轴承中的适用性。

成功加工得到的人字形凹槽没有端部凸起，且图案宽度几乎是均匀的。

当装配了内部空气轴承的轴围绕一根可以鼓入驱动空气的空心轴旋转时，轴的转速在不发生滑移的情况下可以达到最高21000rpm。

研究结果表明，内部光刻技术和电解蚀刻技术的组合对于加工空气轴承是非常有效的。

参考文献：

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