[發(fā)明專利]一種自由曲面灰度掩膜的設計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310303059.3
• 申請日: 2013-07-17
• 公開（公告）號: CN103425821A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發(fā)明（設計）人: 杜立群;阮曉鵬
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 侯明遠

技術領域

本發(fā)明屬于微制造技術領域，涉及三維微結構制造類，特別涉及到一種自由曲面灰度掩模的設計方法。

背景技術

灰度光刻是一種三維微結構批量化制作的有效方法，其關鍵技術之一是灰度掩模圖的設計。灰度光刻技術通過一次曝光就能夠完成三維微結構的批量制作，在三維微結構制作方面能簡化制備工藝、降低制作成本，具有廣闊的應用前景，逐漸受到科研人員的關注。C.M.Waits等人利用灰度值沿長度方向漸變的灰度掩模版首先制作出了楔形光刻膠結構，然后以得到的膠結構作為硅深反應離子刻蝕的掩蔽層制作了硅楔形微結構，并利用灰度光刻技術成功地對傳統(tǒng)微壓縮機進行了結構優(yōu)化(參考文獻[1]:C.M.Waits,B.Morgan,M.Kastantin,R.Ghodssi.Microfabrication?of3D?silicon?MEMS?structures?using?gray-scale?lithography?and?deep?reactive?ion?etching[J].Sensors?and?Actuators?A119(2005):245-253）。Brian?Morgan等人利用灰度光刻技術和深反應離子刻蝕技術在硅基底上制作了菲涅爾衍射透鏡，其采用的灰度掩膜版外形為圓形，掩膜版的灰度值從中心向外圍振蕩式變化，同一直徑的圓周上灰度值相等（參考文獻[2]：Brian?Morgan,Christopher?M.Waits?Development?of?a?Deep?Silicon?Phase?Fresnel?Lens?Using?Gray-Scale?Lithography?and?Deep?Reactive?Ion?Etching.Journal?Of?Microelectromechanical?Systems,2004，13（1）:113-120）。張新宇等人討論了灰度光刻技術在近場集成光學鏡頭中的應用前景，給出了輪廓形狀為圓形和矩形的微透鏡灰度掩模設計，其灰度值從掩膜板中心向外圍漸變（參考文獻[3]：張新宇,裴先登,謝長生.用于近場集成光學頭微透鏡器件的灰度掩模技術[J].光學技術,2002，28(4):291-295）。目前在灰度光刻技術的研究中掩模圖的設計都只是停留在初等解析曲面（如球面、圓環(huán)面、平面）的層次上，沒能實現(xiàn)自由曲面灰度掩膜的設計，所以灰度光刻技術只能加工出表面為初等解析曲面的三維微結構，其應用范圍受到了一定限制。一幅自由曲面灰度掩膜圖包含數(shù)萬至數(shù)十萬個灰度單元，其設計的難點在于怎樣實現(xiàn)灰度掩膜上不同灰度單元灰度值的控制，現(xiàn)有的灰度掩模設計方法一直無法實現(xiàn)自由曲面灰度掩膜的設計。

目前在微機電系統(tǒng)領域，急需實現(xiàn)自由曲面的三維微結構的制作，以拓寬三維微型器件的應用范圍。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種自由曲面灰度掩膜設計的方法，解決制作復雜自由曲面的三維微結構時的掩膜版設計問題。

本發(fā)明的技術方案是：利用計算機輔助設計（CAD）建立目標曲面模型間接控制灰度掩膜上不同區(qū)域灰度單元的透射率；利用計算機輔助制造（CAM）中刀軌模擬方法對目標曲面模型表面進行離散以獲得有序的曲面特征點；利用計算機輔助制造中的刀路模擬間接控制灰度掩膜圖中灰度單元的排列方式；利用改進后的鋪路法沿固定鋪路節(jié)點縱向鋪路來逐次生成灰度單元；然后以Visual?Studio2008（VS2008）作為開發(fā)環(huán)境，在VS2008開發(fā)環(huán)境下調用AutoCAD開發(fā)平臺的二次開發(fā)工具ObjectARX，使用C++編程語言對AutoCAD進行二次開發(fā)來實現(xiàn)自由曲面灰度掩模的設計。本發(fā)明獲得的灰度掩模圖設計程序能夠直接嵌入AutoCAD中運行，能調用AutoCAD的核心函數(shù)和訪問AutoCAD數(shù)據(jù)庫，具有較強的通用性。

本發(fā)明提出的基于計算機輔助設計、計算機輔助制造以及AutoCAD二次開發(fā)設計自由曲面灰度掩模的方法，具體步驟為：

步驟一、根據(jù)所要加工器件的技術要求建立目標曲面模型；

步驟二、確定灰度掩膜圖的基本設計參數(shù)：灰度單元鋪路步長、灰度單元透射率計算公式、節(jié)點優(yōu)化系數(shù)、最小鋪路步長、甩膠高度值以及縮放倍數(shù)M；

步驟三、離散曲面以獲得目標曲面有序的特征點；

步驟四、提取刀軌文件中的切削刀軌三維坐標點；

步驟五、特征點誤差校核；

步驟六、配置AutoCAD二次開發(fā)環(huán)境；

步驟七、編寫程序，建立ObjectArx類型工程文件,選擇ObjectARX/DBX/OMF?Project模板,然后注冊命令。

步驟八、生成固定鋪路節(jié)點；