如图2(a)所示, Beyaz^[7]提出的微球轴承的轴承腔由两层硅片组成, 上、下两层的滚道深度不等, 区1~区4为微球与滚道的接触发生区。深度差异可在一定程度上避免微球与滚道的接触点与键合界面重合, 从而一定程度上避免了由此导致的摩擦和磨损。然而, 在键合过程中, 装夹对准两块硅片时, 由于微球质量很小, 很容易因为振动等外界因素而溢出滚道, 致使键合无法实现。为解决该问题, 本设计提出将完整的轴承腔加工在一层较厚的硅片中的方案, 如图2(b)所示。

图2

Fig.2

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	图2 微球轴承滚道结构对比图Fig.2 Comparison of microball bearing raceway

本设计进一步减少了因微球与键合界面接触而产生的摩擦和磨损。同时, 滚道仅刻蚀在一层硅片上, 比以往的设计节省了加工步骤, 也为键合工艺提供了保障。

微球是转子的支承部件, 当其数目过小时, 无法为转子提供足够的轴向力; 当其数目过大时, 会阻塞滚道。由图3可知微球占滚道的百分比为:

s·π(Rin+Rout)2-1=δ(1)

式中:R_in、R_out分别为轴承滚道的内径和外径; s为微球位于滚道中心时滚道中心圆在微球上的弧长, 由于对称性, s可近似看作微球直径d, 即s≈ d。

图3

Fig.3

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	图3 微球轴承滚道俯视图Fig.3 Top view of the microball bearing raceway

因此, n个微球占滚道的百分比为:

n·2dπRin+Rout≈δ(2)

由此, 轴承腔中应装入的微球数目为:

n≤πδRin+Rout/2d(3)

本文设计微球总体积占滚道容积的百分比为85%。微球选用第16级440C不锈钢球, 直径为(400± 2) μ m。故根据式(3), 微球个数应该不超过32个。

轴承腔通气孔是提供法向载荷的压缩氮气的排出通道, 如图1所示。为了使转子与定子分离, 通气孔应设计为以转子中心为圆心的环形。通气孔的位置和宽度应与微球直径、轴承腔尺寸以及二者之间的游隙匹配, 相关尺寸如图4所示。

图4

Fig.4

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	图4 轴承腔尺寸Fig.4 Dimension of the bearing cavity

由图4可知, 微球的游隙Δ w为:

Δw=w-d(4)

那么, 如图4所示, 如果转子偏心, 转子径向可移动的最大位移为± Δ w。轴承腔上通气孔宽度w_t和下通气孔宽度w_b分别为:

wt=w-w1-w2(5)

wb=w-w3-w4(6)

当转子不受法向载荷作用时, 过小的w₂会使转子无法触及微球, 以致于转子从轴承上脱离出来, 如图5(a)所示。因此, w₂应满足:

w2> 2Δw(7)

当转子底部受向上的法向载荷作用时, 转子向上运动, 过小的w₁和w₄会使得微球与滚道平面之间的接触变为微球与通气孔边沿的接触, 接触面积极大地减小, 以致于产生非常大的应力集中, 从而导致磨损, 如图5(b)所示。因此, w₁和w₄应满足:

w1> d/2(8)

w4> d/2(9)

综上所述, 轴承腔通气孔设计应满足式(4)~(9)。

图5

Fig.5

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	图5 通气孔设计Fig.5 Design of nozzles

如图1所示, 叶片层由L₁和L₂两层硅片构成, 其正面具有静叶片、动叶片等复杂图形结构。为了形成这些凸起的结构, 通常采用DRIE技术刻蚀掉其周围材料, 如图6(a)所示, 虚线框内为待刻区域^[8]。

图6

Fig.6

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	图6 叶片层掩模板对比图Fig.6 Comparison of the masks for blade layer

由于被刻蚀区域的面积不规则, 特征尺寸相差较大, 因此, 所加工出的叶片高度具有3%~5%的不一致量, 影响转子的平衡。

Halo etch技术针对特征尺寸相差较大、深度相同的图形的刻蚀问题, 通过同时刻蚀预加工图形周围的环形区域, 保证刻蚀面积相等, 从而达到刻蚀速率一致的目的, 如图6(b)所示, 虚线框内为待刻区域。

叶片层加工工艺流程如图7所示。首先在上表面带有0.5 μ m厚氧化物的硅片L₁上, 用BOE溶液湿法刻蚀SiO₂, 形成叶片等结构图案, 如图7(a)所示。然后, 在表面无SiO₂的硅片L₂的上表面镀厚光刻胶AZ4620, 通过光刻显影形成可作为叶片截止层的浅槽图案, 如图7(b)所示。以厚光刻胶AZ4620为掩模, 采用DRIE方法刻蚀硅基底, 形成2 μ m深的浅槽, 如图7(c)所示。为保证键合界面无氧化物, 采用Piranha溶液浸泡硅片L₂10 min, 再用去离子水浸泡硅片L₂5 min, 最后甩干, 如图7(d)所示。通过硅-硅直接键合方法将硅片L₁与L₂键合, 抽空密封腔内气体, 通过红外成像方法检验键合质量, 如果合格则可进行以下步骤, 如图7(e)所示。以硅片L₁上表面的SiO₂为掩模, 采用DRIE方法刻蚀硅基底, 直到浅槽截止, 如图7(f)所示。最后, 多余材料自动脱落, 如图7(g)所示, 完成叶片层结构的加工。

图7

Fig.7

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	图7 采用Halo etch技术加工叶片层的工艺流程Fig.7 Process flow of the blade layer by the Halo etch technology

该方法提高了刻蚀速率的一致性和图形精度, 减少了刻蚀工作量, 改善了转子的不平衡性。

叶片层与滚道层之间的键合是加工封闭微球轴承腔中最关键的步骤之一。常用的键合方式包括直接键合、阳极键合、中间层键合三种^{[9, 10, 11, 12]}。由于过高的温度会导致微球变形, 因此本研究采用中间层键合技术, 选择低熔点的铟为中间物。为了避免轴承腔阻塞和微球粘黏滚道, 需要采用Shadow mask技术作为辅助手段^{[13, 14]}。

Shadow mask技术以硅为遮罩, 控制铟在基底上的位置, 从而保护不需要沉积的区域。叶片层与滚道层键合所用的遮罩掩模板及加工完成的遮罩如图8所示。

图8

Fig.8

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	图8 Shadow mask的制作Fig.8 Fabrication of the Shadow mask

之后, 利用光刻胶将Si遮罩黏附在滚道层待键合面上, 采用电子束(E-Beam)蒸镀技术在其上沉积2 μ m厚的铟, 沉积速率和时间分别为3.5 Å /s和5964 s。操作完成后, 利用丙酮溶液除去滚道层上的遮罩, 所得带铟滚道层硅片见图9。

图9

Fig.9

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	图9 采用Shadow mask技术获得的滚道层硅片Fig.9 Raceway layer with indium by the Shadow mask technology

下一步即以铟作为中间物, 根据铟的熔点(156 ℃), 在200 ℃左右时, 采用中间层键合技术完成叶片层与滚道层的粘合。

采用硅微加工工艺制造微球轴承, 主要工艺流程如图10所示。掩模板选用15.24 cm的SiO₂, 每块板上布置88个器件, 工艺流程主要分为对叶片层、滚道层和封盖层的加工、密封微球、释放转子以及加封盖组装几部分。其中, 叶片层加工需要4次光刻, 滚道层加工需要两次光刻, 封盖层加工需要两次光刻。除此之外, 整个工艺流程还需要一次Halo etch、一次采用Shadow mask技术的铟键合、一次硅-硅直接键合和一次光刻胶临时键合。

图10

Fig.10

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	图10 微球轴承加工工艺流程Fig.10 Fabrication process flow of the microball bearing

按照以上加工工艺流程, 所加工完成的微球轴承如图11所示, 通过扫描电镜(SEM)所获得的转子局部如图12所示。

图11

Fig.11

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	图11 微球轴承实物图Fig.11 Photograph of the microball bearing

图12

Fig.12

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	图12 微球轴承转子的SEM图像Fig.12 SEM photograph of the rotor of the microball bearing