[发明专利]一种自由曲面灰度掩膜的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于微制造技术领域，涉及三维微结构制造类，特别涉及到一种自由曲面灰度掩模的设计方法。

背景技术

灰度光刻是一种三维微结构批量化制作的有效方法，其关键技术之一是灰度掩模图的设计。灰度光刻技术通过一次曝光就能够完成三维微结构的批量制作，在三维微结构制作方面能简化制备工艺、降低制作成本，具有广阔的应用前景，逐渐受到科研人员的关注。C.M.Waits等人利用灰度值沿长度方向渐变的灰度掩模版首先制作出了楔形光刻胶结构，然后以得到的胶结构作为硅深反应离子刻蚀的掩蔽层制作了硅楔形微结构，并利用灰度光刻技术成功地对传统微压缩机进行了结构优化(参考文献[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术和深反应离子刻蚀技术在硅基底上制作了菲涅尔衍射透镜，其采用的灰度掩膜版外形为圆形，掩膜版的灰度值从中心向外围振荡式变化，同一直径的圆周上灰度值相等（参考文献[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）。张新宇等人讨论了灰度光刻技术在近场集成光学镜头中的应用前景，给出了轮廓形状为圆形和矩形的微透镜灰度掩模设计，其灰度值从掩膜板中心向外围渐变（参考文献[3]：张新宇,裴先登,谢长生.用于近场集成光学头微透镜器件的灰度掩模技术[J].光学技术,2002，28(4):291-295）。目前在灰度光刻技术的研究中掩模图的设计都只是停留在初等解析曲面（如球面、圆环面、平面）的层次上，没能实现自由曲面灰度掩膜的设计，所以灰度光刻技术只能加工出表面为初等解析曲面的三维微结构，其应用范围受到了一定限制。一幅自由曲面灰度掩膜图包含数万至数十万个灰度单元，其设计的难点在于怎样实现灰度掩膜上不同灰度单元灰度值的控制，现有的灰度掩模设计方法一直无法实现自由曲面灰度掩膜的设计。

目前在微机电系统领域，急需实现自由曲面的三维微结构的制作，以拓宽三维微型器件的应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种自由曲面灰度掩膜设计的方法，解决制作复杂自由曲面的三维微结构时的掩膜版设计问题。

本发明的技术方案是：利用计算机辅助设计（CAD）建立目标曲面模型间接控制灰度掩膜上不同区域灰度单元的透射率；利用计算机辅助制造（CAM）中刀轨模拟方法对目标曲面模型表面进行离散以获得有序的曲面特征点；利用计算机辅助制造中的刀路模拟间接控制灰度掩膜图中灰度单元的排列方式；利用改进后的铺路法沿固定铺路节点纵向铺路来逐次生成灰度单元；然后以Visual Studio2008（VS2008）作为开发环境，在VS2008开发环境下调用AutoCAD开发平台的二次开发工具ObjectARX，使用C++编程语言对AutoCAD进行二次开发来实现自由曲面灰度掩模的设计。本发明获得的灰度掩模图设计程序能够直接嵌入AutoCAD中运行，能调用AutoCAD的核心函数和访问AutoCAD数据库，具有较强的通用性。

本发明提出的基于计算机辅助设计、计算机辅助制造以及AutoCAD二次开发设计自由曲面灰度掩模的方法，具体步骤为：

步骤一、根据所要加工器件的技术要求建立目标曲面模型；

步骤二、确定灰度掩膜图的基本设计参数：灰度单元铺路步长、灰度单元透射率计算公式、节点优化系数、最小铺路步长、甩胶高度值以及缩放倍数M；

步骤三、离散曲面以获得目标曲面有序的特征点；

步骤四、提取刀轨文件中的切削刀轨三维坐标点；

步骤五、特征点误差校核；

步骤六、配置AutoCAD二次开发环境；

步骤七、编写程序，建立ObjectArx类型工程文件,选择ObjectARX/DBX/OMF Project模板,然后注册命令。

步骤八、生成固定铺路节点；