（机械制造及其自动化专业论文）基于微机械工艺的电磁型平面微电机的研究.pdf

摘睦 摘要 论义针对纳卫星 重量低于1 0 公斤 和变卫呈 重量低于1 公斤jq 一飞 轮姿态挎制 执行元件对微巾 机输出力矩 角动量 体卡i 重量和佳川寿命 等的需求 提出了基于仆硅微机械加一 工艺f 0 干 疋了一双转了继构 r 面f 琶磁 微电机的设计母想 较深入地b h 究了以l i g a 工艺 碓深刎蚀 1 艺为主的 t z 面绕m 1 的岛深宪 比 批垦化割 仁方法 仵厚咬光刻工艺中重r i 解决了胶膜厚度的均匀性 j z 膜与对底的粘 性 大厚度差胶层的瑶光 显影条什等的优化问题 1 芏i 乜铸工艺中 摸索出投得颗粒均乞 戥密度高的金属绕组线圈的 寺 1 艺条 t 给州了电铸电流的波形 频率 百空比及电极f 乜j e j f 对利底裘 而不平整度对i 乜诲效果的影响进行了计量r 分析 m 挟了屯铸过程中光划睃i j 电铸液j 容 r 兰的 叫题 通过对电叽绕组及电机墟转过程 以肢对此类l 乜磁l 州二i i f i i a 七机征旋4 0 过挥中产 i 的 盛牛电势 感生电流 平均输出力 极限转速等机械 阻指 怕 的分析 给f 1 了r 乜机转速 输 力雉等输山特什1 0 汁算公式 电磁型平面微巴机输心力矩测 式列刚了白行研制的非接触式力姐m 斌心 通过v c 编制串 程序 实现了 乜予天平与计算机串口的数掘传j 采 利i j w i n d o v s 高精度定时器 实现了较高频率读取的计算秽l 软什实现 l 明州接 测量法 解决了7 b 量半径未知 i 青 t ei f p l 0 黾半径的汁算方法 刘仪器的测量精 度进行了较深入研究 给出了输出力矩涅差公式 仪器对电磁删甲而微 乜机 的测试结果表明 在驱动电压为3 v 时 电机输出力矩7 s f 43 0 0u nn 1 4 速1 输出力矩之问基本符合线性关系 是键词 电磁 u 平面微电机l i g a j 艺n i 深刻蚀工艺 j e 接触 力矩测试仪 摘要 a b s t r a c t i no r d e rt or e a l i z et h er e q u e s to fo u t p u tt o r q u e a n g u l a r1 t i o m e l l t u r r l v o l u m e e i g h ta n dl i f e s p a no f t h ea t t i t u d ec o n t r o lc o m p o n e n t so l ln a n o s a t e l l i t ef l e s st h a l 10k i l o g a m m ei nw e i g h t a n dp i c o s a t e l l i t e 1 e s st h a n0 1k i l o g r a m m ei nw e i g h t a k i n do fs i n g l es t a t o r d o u b l er o t o r se l e c t r o m a g n e t i cm i c r o m e t e r t h a tm a d eb yb u l k s i l i c o nm i c r o n l a c h i n i n gp r o c e s si sm e n t i o n e d m a k i n gm e t h o do fh i g hd e e p w i d t hr a t e b a t c hp r o d u c t i o no f l p l a n a rw i n d i n g s i t hl i g ap r o c e s sa n ds i l i c o nd e e pe t c h i n gp r o c e s si sr e s e a r c h e di nt h et h e s i s u n i f o n n i t yo ft h ep h o t o r e s i s f i h n a d h e s i c h e s sb e t w e e nu n d e r l a ya n dg l u ef i l m e x p o s a la n dd e v e l o pc o n d i t i o no fh i g ht h i c k m e s sd i f f e r e n c ea r ea l ls o l v e di n t h e t h e s i s d u r i n gt h ec o u r s eo fe l e c t 1 0 f o n p r o c e s s eg o ti d e a le l e c t r o f o r mp r o c e s s c o n d i t i o nt h a tc a l lg e ti i n d i n g s i t hu n i f o m ng r a n u l ea n dh i g hc o m p a c t n e s s i n c l u d i n gc u r r e r t tw a x e f o m l f r e q u e n c y d u t y r a t i oa n dv o l t a g e t ot h el i n d i n g sc c t a f f e c to f u n d e r l a y sf l a m e s st ot h ee l e c t r o f o n np r o c e s sa r ea l s oa n a l x s e di nd e t a i l c o m p a t i b i l i t yb e t w e e np h o t o r e s i s ta n de l e c t r o f o r m i n gs o l u t i o ni sa l s os o l v e d t l v o u g ht h ea n a l y s i so fw i n d i n g s r o t a t e c o u r s eo f t h em i c r o m e t e ra n dt h e a n a l y s i so fi n d u c e de l e c t r o m o t i v ef o r c e i n d u c e dcl h t o n a v e r a g eo u t p u tt o r q u e l i m i ts p c e dc o td u r i n gt h ec o u r s eo ft h er o t a t i n gc o n d i t i o n c o m p u t i n ge q u a t i o no f r o t a l es p e e d o u t p u t t o r q u ee c ta r e 璺 e l l n o n c o n t a c tm i c r o t o r q u em e a s u r e m e n te q u i p m e n ti su s e dt om e a s u r et i l eo u t p u t t o r q u eo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cp l a n a rl n i c r o m o t o r d a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e n c o m p u t e ra n de l e c t r ob a l a n c ea r er e a l i z e dt h r o u g hv c 一s e r i a li n t e r f a c ep 1 o g r a n h l g hf r e q u e n c ya c q u i r ea r ea l s or e a l i z e dt h r o u g hw i n d o w sh i g hp r e c i s et i m e r t h e r e w cs o l v e dt h ep r o b l e mo fm e a s u r i n gt h ea m o ff o r c et h r o u g hi n d i r e c tm e t h o do f m e a s u r e m e n tp r e c i s i o no ft h ee q u i p m e n ti ss t u d i e da n de r r o re q u a t i o ni so f f e r e di t i sv e r i f i e dt h a tt h eo u t p u tt o r q u ec a r lr e a c h3 0 0un ma n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e c n o u t p u tt o r q u ea n dr o t a t es p e e da p p r o x i m a t e l yl i n e a r 摘受 k e y w o r d s e l e c t r o m a g n e l i cp l a n a rm i c r o m o t o r l i g ap r o c e s s s i l i c o nd e e pe l c h i n g p r o c e s s n o n c o n t a c im l c r o t o r q u em e a s u r e m e n te q u i p m e n t i i 第一带绪论 1 1 引言 第一章绪论 微型机电系统 m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m m e m s 足最近 十年发 展起来的一个新兴领域 其含义是指可以批量制作的 集微型机十勾 微型传感器 微型执行器以及信号处理和控制电路 直至接口 通信和电源于体菇 七囱信息 的获取 处理和执行等功能的微型器件和系统 它只有体积小 重量轻 功能丰 富以及批量生产成本低等特点 可以完成大尺寸机电系统所不能完成n 0 任务或嵌 入大尺 j 系统中 从 町大幅度提高系统的自动化 智能化和可靠性水平 m e m s 是随着半导体集成电路 微细加工技术f u 超精密机械加上技术的发眨 而发展起水的 它涉及电了 机械 材制 制造 信息与自动控带i 化学和生物 等多种学科的交义并融汇r 当今科学技术发展的成果 是一个多学科 高技术日q 新兴领域 m e m s 再 工 k 信息和通信 国防 航空航天 航 每 医疗 尘物 工程 农业 珥境和家庭l 务等领域有着巨大的应r 目i d 景 已经引起丁世界各匝 的高度重视并投入了犬量人力物力i 行 i i 发 剧此 微机f 乜系统技术将成为继微 电子技术之后又 重大高 新技术产 世 正如集成电路 技术把我们带入信息时代 一样 很多科学家鼢认为 m e m s 会给人类社会带来 另一次技术革命 它将对 2 1 世纪的科学技术 t 7 方式和人类生活质量产生 深远影响 因而被认为是关 系到幽家科技发展 幽防安 全和经济繁荣的关键技术 微电机是微电子机械 系统动力源之 微电机的 性能对整个微机电系统性能起到举足轻重的作用 微电机技术的突破 有助于构 造实用化的可动微系统 从而带动微机械整体技术的全面发展 有关微电机的研 究一直是m e m s 研究的热点之一 第一常绪沦 1 2 微电机种类及发展现状 微电机的研究始于2 0 世纪8 0 年代 l 9 8 8 年 美国加州大学ls f a n 等研制 成功第一台直径为12 0 微米的静电微电机模型1 引起了学术界的极大天注 于 是许多国家如美国 同本等纷纷投巨资进行微电机及其相关的微机电系统的硼 究 微电机技4 出此得到了迅速发展 扳照驱动方式 微电机 t 耍可分为静电微电机 电磁型微电机和n 二电微电机 3 种形式 根掘掬造 式的1 i 同 二述三和微电机又有不同的形 如图1 所 示 1 2 1 静电微电机工作原理及发展现状 抒电微电机是利l y 两个撇板问 乜荷分斫j 产生的吸引力或排斥力而把f 乜熊转 换为机械能的 电机的定子为静止电檄 转于为移动电极 适当变换两个i 乜撒l 晌电萄 就能实现转f 的迄续运转 根据静电微电机的工作原理可以把它分为同步式 摇摆式 谐振式平u 摇摆步 进式 一q 种 1 同步i 静电微电机 它是利用1 c 艺制作的 该类电饥乐用驻极定子 转 子采用同步脉冲驱动 其缺点是难以免服臣人的摩擦 j 存实琢 用方而何 奇于摩擦学 材料和设计理论力而的根本性突破 二 摇摆式静电微电机 它足利片 内摩擦力进行 作的徵电机 它的蜒本设计思 想是在转了和定了之闯加绝缘层 利用定子和转子之恻摩擦使转予在定子内 壁 做无滑动纯滚动 使转子输出一定的转速和输出功率 j 谐振式静电微电机 它是基于必往在摩擦 牛j 料的非线性动力特性和微电 机设计等最新研究成果基础上而发展起来的 其制作利用了1 c 艺 4 摇摆步进式静电微电机 它巧妙纪 台了步进电机和摇摆电机的优点 即一方面将转予和定了做成齿状 i 曾加了r 巳容面积 提高了输出力矩 同时义采用了摇摆式静电微电机的 理论 图1 2 是第一台静电微电机结构示 意图 它是利用多晶硅制作的 其直径 a c 图1 2 静电微电机结构示意图 第一带绪沦 为1 2 0ui l l 转速5 0 0 r p m 此外 威斯康星州大学采用微电路方法用镍制作的静 电微电机转子直径为l j oum 转速可以达到8 0 0 t i n l h 本也非常重视微电机 的丌发 研究单位主要有松下公司 东京m a t s u s h i t a 研究所 东芝公司等 德h 卡尔斯鲁厄核研究中心实验室 梅因兹微技术研究所也在微电机方面逆行了研 究 州内对静电微电机的研究也取得了很大进展 j 二要研究单他有清 仁大学和i 海冶会所等 清 每人学微 巳了研究所研制出来的静 乜微电机直径仅为10 0u 巾罔科学院上海冶令所也成功研制 转了直径为l o m 的静屯 簧微电机 目剥了二其它类型的微电机 静电微电机其有易于制作 控制万便和耗能小等 优点 f 日是静电型微电机难以克服本身的摩擦5 日力 其驱动力矩小 驰动电雎高 和运行寿命短的缺点使其实用化比较困难 1 2 2 电磁型微电机工作原理及发展现状 r 岜磁型微i 乜机的研究 也始了二2 0 世纪9 0 年代 它是利用传统电磁原删带j 作n 电机转子运动的驱动力是基于电 磁问互相作用产牛的电磁力 通过电磁作用以 电磁场为媒介将电能转化为机械能 i j 时已研制 骨动式 线性 滚二 j 式 线 性1 转动式 连续角位移 平动j 两自由度 等多种形i 的它磁型微电目 一 芰国在电磁型微电机方面的研究工作取得了品著的研究成果 凭借光刻 r 巳 火花加i 和精密机械加工等综f 州 艺制造的微电机直径只有 l 毫米 美固的微电 机研究单位主要有喊斯康星州人学佐治亚理工学院和乔治亚州理r 学院等 h 本 在电磁型微电机力 面的研究也处于国际领先地位 几本东芝公司成功研制出 d o 8 m mx12 m i l l 的电磁型微电机 该电机为轴向例隔型同步电机 驱动电压为 1 7 v 转速为6 0 1 0 0 0 0 r m in 体积还不到1 m m j 德固梅因兹微技术研究所利 用l i g a 技术制作出了直径仅1 9 m m 的电磁型微电机 我固十分重视对电磁型微电机的研究 主要研究单位有上海交通大学 中利 院长春光机所等 中困科学院长春光机 所成助研制出直径为5 m m 的端面摇摆 式电磁微电机 该电机转速范围为 2 08 6 0 r r a i n 输出力矩大于10 州m 图1 3 是该电机工作原理图 从图中可 以看到 该电机的定子是一内表面为锥 面的圆柱体 它的工作表面是其内锥 图1 3 端面摇摆式电磁微电机 丁作原理图 面 转予是个锥体 工作表面是其外锥面 定子的内锥面和转子的外锥巾i 有一 共同的锥顶 它们的锥角存在一定的差值d 在定子内部均匀地排放着几组线圈 当对定予线圈顺序加 乜时 将在定子内产生一个旋转磁场 在该磁场所产7 i 的旋 转电磁力作用f 锥形转子将在定子的内锥面上作圆周纯滚动 由此使转子产生 一个与摆动方向相反的转动 上海交通大学在继1 9 9 5 午成功研制出直径为2 r a m 高为1 4 m m 的超微型i 生 动机 以后 叉在1 9 9 9 午成功研制出直 手 1 m m 的电磁型微电机 巳机的最 大转速为18 0 0 0 1 m i n 调速范围为5 0 1 质量仅l25 毫克 最人输出力矩达到 4 图14 定子绕组示意图 习151 2 檄1 n l m 微 劁1 6电磁型微电机结构示 电机转子 意图 11 0 2 定j 73 支架44 j 了1j v7 j 电十 t i l 多指标达到了 际先进水平 该电机采用丁双定子一j 苷j t 予的层状结构r 圈1 6 r n 机转了乐用了甲面结构 央在两个定子中问e t 位置上 以钕铁硼为材料 轴向充6 对磁极 n s 呈辐射状恻隔分布 如图1 j 所示 定子线圈采用六层结构 每层9 个绕组t 如l n1 1 所示 以保证电机有足够的 输出力矩 h 酉科学院长春光机昕 二2 0 0 2 年利用微机械i c p 工艺和l i g a 工艺研靓出 可用于皮卫星上对微小飞轮进行姿态控制的具有译定子一烈转了结构的电磁型 f 而微电机 具体结构及装配图见第一章图2 1 2 2 2 3 该电机定了绕 组线圈制作在以硅j l 为衬底的基片上 采用了 f 反面各l8 个线圈的双面绕组结 构 卜反面线圈之问通过过线孔连接 转子轴向充6 对磁极 均布于以转予中心 为同心的圆周上 该电机的空载转速可以达到2 0 0 0 0 r p m 电磁型微电机一直是各国研究的热点 它具有如下优点 1 驱动力矩大 输出效率高 2 工作稳定可靠并易于控制 可在低电爪的条件下驱动 3 工作寿命长 抗干扰能力强 4 与静电微 u 机比较 容易装酣 虽然目前对于微电机的研究仍处于摸索阶段 还不能刘 某种微电机加以肯定 或否定 但目i f 国内外报道的各种电磁式微电机都有确切的转速和输出扣矩 u 见 就其动力性能而寺电磁型微电机是目前各种微 乜机中最好的 这表明电磁型 微电机在微型化方面具有较大的潜力 同时作为通用型微小动力元什 i 参炎微电 机也可能最先达到实用化 可以认为 f 乜磁犁微电机是目f 搿最有前途的傲骆动器 之一 但山于甩磁型微电机 f 结构卜需要制作能产7 l 电磁场的线蚓 使其进步 微鬯化受到限制 1 2 3 压电微电机工作原理及发展现状 压电微电机屉利用压电材料逆爪f 乜效j i 制作的 f 电微电机可分为 电薄膜 式和 互力场式两种 第一台几三电微电机是利用i c1 艺制造出米的 随e 许多 国家纷纷 r 展了压电微电机方面的研究工作 在幽外 1 9 9 2 年 美削的f l y n n 等人最先利用f c z 和材料技术 研制出白径为i s m m 的薄膛式压电微电机摸 型 1 9 9 7 年 瑞士d e l l m a n n 等人报道的采用微机械电铸l 艺制作压电马达转子 的结果 体现了当时微机械压电马达研究的最新进展 h 本在压电微电机方 山的 丌发也比较早 有的已经在i k l j j i 调焦方面得到了应用 幽内对 k 电微r l lf 1 94 t 究1 作起始1 二 o 州纪9 0 年代初 研制单位主要古中国科学院长春光机所 中 目 科学院上海冶金所 清华大学等单位 19 9 3 年 e l 幽科学院长春光机所成功研 制出直径为3 r a m 的行波压电微电机模型 中科院上海冶金所等单位也丌腱厂微 型压电马达的研究并于1 9 9 8 年报道了微机械压电行波马达的研究结果 该压r 巳 行波马达的定予和转子分别采用微机械加工工艺 通过微组装技术得到了完整的 微机械压电马达 7 j 达定子 转了的尺寸均为2 在小于1 0 l 的交流信号激 励下 马达转速可达5 0 l l l j n 相对丁二静电微电机和电磁型微电机 压电微电机具有结构简单 输m 力矩 大 工作噪声小 输出稳定 控制技术成熟 无磁场干扰 不需要悬浮和能实现 低速运转等优点 它是m e m s 中十分新颖的 也是最有前途的微电机之 可 以应用于低转速 高输出力矩的场合 但由于压电微电机工作原理是基于压电材 料的超声振动和摩擦传动 而目前对压电材料的微细加工技术和压电薄膜材料性 能的测试技术尚不完善 因而压电微电机存在着工作稳定性差 输出功率较低 第一孝绪论 位移小 使用寿命比较短等缺点 1 3 微电机制作工艺 i 目前 国际上超微电机主要制作方法有四种 l c 工艺 l 1 g a 或准l i g at 艺 硅表面微机械加工技术 超精密机械加工和装配技术 1 j 1i c 技术 这是一种发展 l 3 2 速门 f i 比较成熟的制作凡埘模集成电路的加j 技彳 l9 j 8 年 荚囤研制成第一块 c 电路 7 f 仓 j 了 吐界微电了学的历史 在随后f i t2 0 年中该技术得到丁e 速发展 i c 工艺主要包括半导体晶体生 长 硅片切害 和抛 匕 薄膜f 包括外延层 二氧化辟 氯化锅 氮化硅 多晶砖 薄膜 会属化薄膜 生长 掺杂 包括扩散 离了 入 光刻和测试刳装等过 程 i 幺技术在微机电系统中应用较i f h 比较普遍 应用牺牲层浊玄l 上艺 在础 上通道淀积 光刻与蚀刻的巧妙结合 以制成微型齿轮 微电机等可动机构 荧国利用i c 工艺首先做出了超声薄膜微电机 但是 i c 工艺属于甲丽工艺 1 1 适用丁加j 二砖材料 对丁j 高深宽比的微结构和其它类理的材料制作便无能为力 所以 i c1 艺只能是微机械加工工艺的起步 3 2 石 f 表面微机械加工技术 硅表面微机械加工技术是19 8 3 年丌发成助的 陔技术包括薄膜生k 光刻 刻蚀 扩散 离了注入和封装等丁艺过程 是微机械器例 完全制作存品片表面而 不穿透晶片的 种加工技术 一般米讲 微机械结构常用薄膜材料层束制作 常 用的薄膜利料层包括 多晶硅 氮化硅 氧化硅 磷硅酸盐玻璃 硼硅酸玻璃和 金属 薄膜般采 f j 氐压化学气相淀积 1 p c v d j 常压化学气相淀平 a p c v d 等离子体增强化学7i 相淀积 p e c v d 和分予束淀积等方法制备 结构制造可 利用光刻工艺和化学或物理腐蚀工艺进行 存这里 牺牲层起了非常重要的作j h 其作用就是在连续加工形成结构层的过程巾使结构层与衬底分丌 牺牲层的厚度 一般为1 2 微米 但也可以更厚一些 淀积后 牺牲层被腐蚀成所需的形状 为了向结构层提供固定点 可腐蚀出完全穿透牺牲层的开口 防止结构层在分离 结束时产生位移 结构材料薄膜层常用选多晶硅 结构层经过腐蚀以后 除去牺 牲层就可以得到分离的悬臂式结构 图1 7 是利用硅表面微机械加 1 二艺制作静电微电机定子的i 艺过程示意 图 各工艺过程及其解释如下 1 通过淀积法在硅片表面淀积一层氮化砖作为绝缘层 如图1 7 a 2 通过淀积法 或者掺杂 离子注入等 在绝缘层上淀积一层牺牲层l 微米级 厚度 如图1 7 b 昕示 3 存牺牲层 淀积层多晶硅 如 旦 图 7 c 所示 e i 云亍 兰j 1 通过光刻 腐蚀的方法腐蚀牺 斗生层卜的多品砖 得丑电机定子 f 如图1 7 f d 所示 5 腐蚀牺牲层获得电机定子 如 图1 7 e 所示 相对丁体微机碱加 技术和键 合技穴 碓表面微机械加 i 技术在 制作微结构的过程中具有不幅蚀砖 片本身 没有孔穿过硅片 硅片背 而也无门坑等优点 1 3 3l i g a 和准l i g a 工艺 aj 牺牲一二 乩 圈l7 静电微电机定子制作示意降 在微机电系统技术日0j 迎用领域中 微器件除了强调特有的光学 导电 导热 性能外 为了增加其构件强度或电 磁致动特性等 需向高深宽比且复杂的3d 形状发展 l i g a 技术就是能够实现高深宽比的制造技术之一 利用该技术可以 制造高精度 高深宽比的3d 微结构 l i g a 是德文l i t h o g r a p h i e g a l v a n o f o m m n g a b f o m u n g 三个宁的字头缩 j 足光刻 电铸和塑铸的结合 l i g a 工艺通常是将聚合物材料层旋涂在硅衬底表 面 然后加 形成铸模 利用电镀或化学镀等工艺将一种金属镀在铸模中 除去 聚合物就可以得到微机械器件 该技术由德国卡尔斯鲁厄核研究所发明的 1 9 8 6 年首次报道 随后 美国 r 奉 饿岁斯都进行了这方面的研究工作 与其它立 体微加工技术相比 l i g a 技术可以制作卅高度达到数百微米 深宽比大于2 0 0 侧壁平行线偏离在亚微米范围内的三维立体微结构 这些结构较利用l c 工艺制 作的微结构有了一个大的飞跃 突破了平面工艺的限制 为微机械的发展提供了 个重要手段 l i g a 技术是韦0 作微电机绕组线圈的常用方法 德国卡尔斯鲁厄核研究中心 利用l i g a 工艺已经成功研制出转子直径仅为0 4 毫米的微电机 该工艺有8 个 基本步骤 1 在金属衬底聚合一层p m m a 胶 聚甲基丙烯酸甲醛 厚度为几百微米 2 精心制作光刻掩模 并固定存p m m a 层的卜甚 利用高能量的x 射线通过掩膜 使p m m a 胶部分感光 4 刈已受x 射线照剔的p m m a 进行显影 将曝光部分溶解 形成第一缴结构 j 采用微电镀的方法在第一级结构空隙单充满金属 6 将第一级结构清除 得到一个全命属的第二级绐构 7j 将聚合物注入第二级结构进行模塑 8 从令届模具审抽 h 模塑的聚合物形成第二级结构 虽然l 1 g a 工艺具有可以得到高深宽比 二维结构并且线条陡直度好等优 点 但由卜同步轻射x 深层光刻代价较高而使器什的市i 作成本较高 从而使其 应用受到了限制 因此 在深宽比要求不是特别高并且能满足设计要求的前提 可以利 刚制作成本较低的准l i g ai 艺代管l t g al 艺韦0 作 维结构 准1 1 a 技术是改进的l i g a 技术 它采用了传统的深紫外线曝光 厚光刻胶作掩膜和电 铸技术 制作中一般在基片衬底土二溅射层金属层作为种了层 然后存余属层j 涂层厚胶 把胶烘 厂后放在光刻机下曝光 显影后 光刻皎曝光部分被溶解 得到所需要的三维结构的图形 把带有图形的基片放入电铸仪中微电铸 得到需 要的三维的金属结构 通过去胶和去种子层等t 艺便町以得到最后所需要的结 构 相对于l i g a 丁艺 准l i g a 技术具有制作t 艺过程简单并且 ji c 艺兼 容性好的优点 足一种很有发展 i u 途的m e m s 制作技术 凶而 越来越引起人们 的重视 图1 8 是利用准l i g a 工艺制作电磁型 微电机定予绕组 b 溅剖种了层 光划腔 c 微l u 铸疋j 跣 n c 涂厚光刻胶 o f 去种子层 图l8 准l i g a 工艺制作电机定子绕组示意图 8 鼍一 一 第一章绪论 的简单工艺过程 l 3 4 超精密机械 t n t 和装配技术 超精密机械加工和装配技术也是微机械制作中的常用技术 超精密机械舰工 是利用硬度高j 二工件i j j d 具 将工什t 材料进行切削加 二的过程 这是用小型精密 盒属切削机床及电火花 线切割等加1 手段南0 作毫米尺寸上下的超微构件的加工 过程 属二维立体加工 日i u 所用到的上具宵车刀 钻头 铣刀等 侄微机碱 制造技术上应用的超精密加工技术主要有钻石刀具微切自9 加工技术 微钻孔加工 技术 微铣削加工技术 微磨削与研磨加工技术q 种 精密机械加 卸装配技术 的 口工材料广泛 但是多用于章件d 日工与装配 费f 口较高 所以难以彤成批量化 牛产 1 4 微电机的应用前景 徵电机作为r 敏机电系统的驱动源 一 以带动整个微机i 乜系统的发展 它有着 广泛的应用前景 微电机的应用主要有以一fj l 4 方叫 1 4 1 医疗领域 做电机作为驱动器能满足人们刘小j 姐化 多功能以及高可靠性医疗器械的簦 求 美蚓正在研制一种细如发缝的极小型静电微电饥 这种微电机在医疗通信与 制造方面具有重大的应用价值 此医疗设备可以定敏地测量人体血液的化学 帙 念 从而进行各种诊断化验 j 海交通大学正在研究把中 m m 4 2 1 1 1 0 l 的电磁型微电机应用于人体直肠内 窥镜的前端操作以及驱动自动植入内窥镜系统的日u 端物镜 具体做法是在目前l 每 眯上应用的内窥镜时端加装微型电机 用来驱动一片4 5 的棱镜作低速3 6 0 旋转 从而扩大了观察视野 减少常规内窥镜对人体内部软组织的损伤给病人带米的痛 苦 提高其诊断效果和安令性 具有重要的科学意义和应用i 景 1 4 2 航空航天领域 微电机在航天领域也有着广阔的应用前景 它可以应用在微型飞机 微型卫 星等航天器上作为驱动源 彳i 但可以减轻飞行器的重量 还能够满足e 行器的特 殊要求 箱一章绪论 研制和改进探测星体用的小型相机在航天领域有着重要的意义 相机的研制 不仅需要提高相机的性能 还需要实现拥机的小型化 在星体探测计划中 对星 体观测仪器的要求是低功耗 高可靠性 低成本以及大量科学观测数扼的回收 混合式集成焦面装置是比较理想的设汁方案 这种集成焦面装置可以获得多光谱 可见光图像 此装营需要集成4 通道的c c d 微小电机 模拟处理单元和数字 化数据转换单元是其 j 要组成部分 如能把做电机j 用于集成模块中 1 i 仪可以 减轻州机的重母 还可以节省功耗和降低成本 德囤侮凶兹微技术研究所利用l i g a 技术研制的直径仪1 9 的微电机 转速可达到1 0 0 0 0 0 u m 目前己经应用到了世界上最小的直升飞机f i 幺飞机仪 0 克 含有两个微马达 可以升覃几1 厘米高度 饿罗斯已经成j 刃将微电机应 用力 了字商飞肌的空n j 迥远镜上 它依靠安装的 二个直径为中5 r a m 长l o i i h t l 的 压电微电机自适应调整次镜上的反射镜 从而满足减少机械传动 缩小r 寸的要 求 扼报道 天圜f 在发展最大尺 j 为15 c m 的可携带微型视频摄像机a q 侦察用 无人飞机 大小和小鸟相仿 微电机是驱动源 在国内 上海交通大学利用电磁型微电机驱动的微型直升飞机 已彳l5 9 9 年3 月试飞成功 这种微型 器长2 2 m m 高5 m m 适量为1 5 0 9 1 4 3 微机器人领域 微机器人是相对比较完备的微型电子机械系统的代表 微机器人在j 一业领 域 医学领域及基础科学研究等领域都发挥着重要作用 然而 在微小型尺 j 范 闭内 机器人的发展受到了很大限制 使其商品化比较困难 一方面是机器人的 机械传动部分的微型化比较困难 另一方面就是受电机的制约 目前商品化的微 电机尺寸较大 解决方法主要有两方面 一方面有待j 一微机械制造技术的发展 使三维微小零件产品化 另一方面是利用能直接驱动微型机械人的电机来简化传 动链 减轻机器人的质量 动作惯性 缩小机器人尺寸 从而实现微型机器人的 实用化 同本东芝公司研制h j 一种微型电机 其体积不到l m m 当给其加 j 7 伏驱 动电压时 电机能以6 0 0 0 0 0 转 分的速度旋转 产生05 n m 的扭矩 东芝 公司希望将来把这种微电机安装在微型机器人上用来检查小型管道及生产设备 的裂纹 在同本第二届微机器人登山比赛上 有一台机器人是采用当时世界上最 小的微电机来驱动的 1 5 今后微电机的发展趋势 微电机作为微机电系统的动力源 在各种纤细复杂的微环境卑有着广 阔的应 用前景 随着超微技术的发展 微电机的研制丌发及应用将越来越被人们所重视 它在光学 医学 7 e 物学 机电1 程等领域的应用将越来越广泛 无论是目6 j 还 是将来 微电机都是世界各国的重点研究丌发项目 对微电机的研究主要包括基 础理论的研究和制作 艺两方面 理论方面的研究0 i 要包括微电机中热机理j u 题 的研究 发热 导热 散热 刮热等 及磁路和力矩分析等 制作 r 艺的研究主 要指把制作微电机的几种技术结合起来 从而丌发新型的微电机 今后微电机主 要发展趋势是微型化 实用化和控制电路f 0 集成化 1 5 1 微型化 微电机的微型f 4 一卣是微电机的发展与 向之 微j 型化不但能缩小f a 机的 寸 节约材料与能源 还能够适应微型系统驰动0 要求 微型化主要指绺续 制 体积更小的微电机 以适应某些器件微型化的要求 如进入人体皿管的微型机器 人驱动用微电机和用于内窥镜上的微电机等 宅机的微型化包括减小电机的轴i 甸尺 和径向r 寸两方面 依掘电机输融力 矩7 1 与磁感应强度b 输出电流 有效导体长度l 导体的有效根数a 以及转 了的等效半径尺成j f 比关系可知 当减小电机的 垒同尺t 时 上和尺都将减小 从而导致其输出力矩 减小 而要实现电机的微型化同时又尽量保持电机的输出 力矩不变 只有通过增加输出电流 和磁感应强度口柬实现 的增加呵以通过 增加定子绕组线圈的深宽比来实现 因为增加线圈的深宽比就相应地减小了定j 二 线圈的电阻 从而使电流强度得到厂增加 深宽比的增加 l j 以通过改进微电机的 加工工艺例如继续优化制作过程中的光刻 显影 吧铸等条件从而减小线宽束史 现 气隙磁感应强度占的增加可以通过两种途径采实现 一种是通过研制性能更 加优良的永磁材料 从而增加其充磁后的剩磁b 另一种是通过超精密加工和装 配技术减小电机定子和转子之间的阳j 隙 进而减小电机的轴向尺 r 可见 微电机的微型化依赖于对微电机加 二 芝的改进 超精密加工和装配 技术的发展以及对永磁材料的开发二方面的发展 1 5 2 实用化 电机的微型化固然重要 但同时应该更加重视其实用化 只有实现了微电机 第一帝绪论 产品的实用化 把微电机产品推向市场 从而为微电机的发展提供足够的资金支 持 微电机才会有广阔的发展前景 只考虑微电机微型化而忽略微电机实用化的 思想是不可取的 微电机的实用化主要指把微电机作为驱动源应用到实际的微型 系统例如医学内窥镜 纳米卫星 微型飞机等 实现微电机实用化一力面需要改 善其机械 生能如输出力矩 转速 从而提高其可靠性 另一方而 应该实现微电 机的批量生产 提高其性价比 把微电机产品推向l 场 加快微电机实用化步伐 另外 精密机械发展到现在 其加 二 一艺已经十分宠善 如果能够把精密机城均 工技术和微机械加上技一 结合起来制作微t t b j l j 芒能够降低电机的制作难度 减少 曼机制作成本 从而实现电机的批量牛产 推动微电机的实用化进程 1 5 3 控制电路的微型化和集成化 微电子技术和电力电子技术的发展要求把电了技术 刊电机结合起术 从而推 动微电机技术的进一步发展 微电机的小型化相应要求其控 0 电路微垩i f l 一个 体积非常大的微电机控制电路和个体积非常小微电机的组合是不合理的 控制 电路的微型化和集成化符合新一代的微电机产品应只有的高精度 小体积 高可 靠性菁n 良好的控制特性特点的要求 微电机控制电路的微型化可以通过研制包含 多个电子元件的集成专用芯片求实现 1 6 本课题研究的内容 2 0 世纪j o 年代以一 火箭运载能力的0 断提高为大卫星的发展提供了技 术基础 空阳j 技术得到了飞速发展 随着卫足技术 j 应用的不断发展 人们在要 求降低卫星成水 减小风险的 亓j 时 迫剀需要加快投资小 见效快 任务单一的 专用卫星的丌发 小卫星技术因此应运而生 与大卫星相比 小卫星具何先进 快速 低廉 i 叮靠以及研制周期短等特点 皮卫星 整星重量为0 1 奴 l 短的卫星型称为皮卫足 是一种非常具有发 展l j 玎景的小卫星 而日i u 研制成功的用 凋姿的小匕轮质量多住1 公斤左右 主 要用于5 0 公斤左右的微卫星的姿态调节 冈此 根据9 7 3 课题需要 白行设计 了一种专用于皮卫星姿态调节的三轴姿态控制系统 陔系统对飞轮运行姿态的调 节是通过调节i 个互相垂直的微电机的转运来实现的 微电机是该调姿系统最重 要的组成部分 也是本论文的研究内容 论文在通过对静r 乜微电机 乜磁型微电 机和压电微电机综合分析后 提出了一种具有双转子一单定子结构的电磁型平面 微电机的设计思想 在定子绕组两面对称分布两个轴向充磁的平面永磁体作为电 2 籀一章绪论 机转子 使电机轴向装配尺寸大幅度减小从而增加了径向尺寸的相对值 同时减 小了调姿系统质量 平面双转子结构增加了电机的转动惯量 电机的散热f u j 题同 时也得到了解决 论文主要包括以下几部分 l 在详细论述电磁型平面微电机运行机理的铁础上对微电机的机械特 阽 指标转速和输出力矩进行了详细分析和计算 2 对利用微机械i c p 技术和l i g a 工艺制作r 乜磁型平面微f 也机的过程进行 了论述并对各个制作 1 节中的外部条件如温度 时川等对制作结果的影响进行了 洋细分析 3 详细沦迷了电磁型平面微电机驱动电路的制作过程 4 列制作完毕的电磁型平面微r 巳机进行厂转速和输出 j 矩测试 测试结果 表明利用浚方法制作f 内微电机能较皇 满足二轴姿态榨制系统的要求 中罔科学院博1 学位论文 基十微机械t 芑 的l u 越型 r 面诎 u 机的 究 第二章电磁型平面微电机工作原理及机械特性分析 2 1 引言 作为微机电系统的核心器件和驱动源 微电机从问世以柬就徊到了许多国家 的重视并投入大量资金进行研究 微电机根据 j j 作原理可分为静电微电机 电磁 型微电机和压电微电机 在上述三种类型微电机巾 静电微电机t 作原理是基于 两个r 乜极之间山于静电作 l l j 产牛的静电力 它具有结构简单 易于小型化的优点 但是其驱动力矩小 驱动电胍商和运行寿命短的缺点使其实引化极为困难 脏电 微i 乜机是利用下电利料的逆压电效应韦0 作的 它虽然具有输出力矩高 作用上王稗 安静等优点 但是压电微电机转速低 成术高 使用寿命短鄱制作工艺复杂的缺 点同洋使其实用化比较困难 相对于目强 两种驱动形式的微电机 电磁型微屯机 转了运动的驸动力是基于电 磁相j 工作用产生的电磁力 它具有可以低压驱动 可实跳高转速以及输出力矩大等优点 嗵是 传统结构的电磁型微电机存在如f 缺t l 1j 定予绕组需要利用人 方法绕韦4 凶此实现小型化困难 2 当电机的体积很微小时造成其散热性不好 3 对于需要精确拧制转速 结构相列复杂的微 型直流无崩l 电机 实现批节化 生产比较困难 为克服传统做电机的上述缺点并实现电机的微型化 批量化乍 降低电机 制作成本 论文提h 一种双转予一单定子结构的电磁型平面微电机的设计方案并 利用体微机械加f 工艺制作了该电机 其中电机转了山两个圆盘轴向充磁获得 定子线圈呈辐射状分布 j 二以硅为衬底的 f 反两个平面上 这种无铁心结构克服r 传统的铁心涡流效应和电机转矩脉动大等缺点 定子绕组线罔采用微机械工艺制 作可使电机的径向尺 j 一减小 平面结构大大减小了电机的轴向尺 j 从而达到微 娌化和较大输m 力矩的目的 转速和输出力矩是微电机最重要的两个机械特性指标 转速高低和精度直接 影响整个传动系统的传动速度和传动精度 输出力矩反映了系统的负载能力 论 文首先给出了该电机的结构和工作原理 然后利用电磁学相关知识详细分析了转 速和输出力矩的计算方法并推导出相应计算公式 第一母一u 触型 卜面微i b 帆t 作坛垲及耵 械特 分析 2 2 电磁型平面微电机结构及工作原理 1 与其它电磁型微电机工作原理相似 电磁型平面微电机在运i j 过程中同样利 用了定子与转子吲山于电磁作用产生的作用力 依靠电磁场为媒介把r 乜能转化为 转了二运动机械能 图2 1 是该电机的装配刁 意图 出图中可以看出 该电机采 用了币 定了 双转子的直流兀刷电机结构 定子同定在 乜机壳休上 转了共两个 对称分币 于定子两侧 绕封埔j 作在定子一侧 这种连接方式既增加了电机输出 j 矩 又从绵构上解决了电机轴向单边拉 j 的问题 圈2 2 为平面电机定子线圈单 面分和示意图 由图i 可以看出 微 乜机中定予绕组采用丁甲面型 无槽式 无铁 心结构 正两和反面各1 8 个线圈 对称分伽于珐 两侧 f 反线圈之间采 j 过 图21 微电机装配示窟 斟2 2 定子绕组j j 意幽 1 过线孔2 定j 线 n s s s n 冈2 3 乜机转子 不意图 线孔连接 根据直流无刷电机工作原理要求 电磁型平面微电机定子绕组问采川 了三相星形连接方式 如图2 4 所示 每相有1 2 个线圈十闩串联 按照a b c 相问隔的顺序呈辐剩状均自j 于以硅为衬底的平面上 上述结构使r 乜机轴向尺 j 人 a i j 绕组 l 1 2 个线罔串联 r 一 c 晕形连接 公共端 一 一 二 一4 一 c 相绕组 厂一一 1 2 个线罔串联 一 f 7b 相绕组 1 2 4 线圈串联 图2 4 定子绕组连接简图 中国科学院博j 学位论文 娃于微机械 艺的电磁坐1 卜面微i 也机的j i j 究 幅度减小 从而使其微型化实现成为可能 该结构还解决了传统电机由于齿樽效 应引起的转矩脉动问题 使得电机的转矩输出比较甲稳 由于绕组采用无铁心结 构 因此不存在磁滞损耗和涡流损耗 从而提高了传动效率 定子线圈电感小 因此具有良好的换向性能 山于定子线圈两端直接 j 气隙接触 有利十线圈的散 热 可以具有较人的负荷 电磁型平面微电机在装配过程中采用了对称分佰的双转子结构 该结构既解 决了定子与转了之间的单边拉力问题 又增加厂电机的输m 力矩 其中的般转子 图23 同样采j l i j 了平面结构 材料采用了矫面 力和剩余磁感应强度都非常大 的钕铁硼永磁材料 制成盘状后进 亍轴向充磁从而在装配 邓裳巾产生足自 的轴阳 磁场 提高电机的骄动力矩 平面转 了共充6 对磁极 n s 川辐成辐剁状均如 于圆盘表面 同对于传统的平面微电机的制作方 法如i c 工艺 切 l 法或绕线法 等 利用该工艺制作的微电机不但增加了线圈而数和深宽比 还减小了电机的轴 向装配尺寸和体积 增加了定子线圈的电流密度和输出力矩 图2 5 是电磁型半面微电机乐用j 相半控电路驰动时定子绕组中电 波彤 蚓 其中 a 表示方波发生电路产生的初始方波罔形 b c d 表示 a 1i i 娃 n 婚放形图 1 3 a 目i 绕组 导通 i l l i j 囝 c b 丰 绕组 号通 j 图 血 口口口门 门 蔓i 口 l 一 时m c 口 口一 础i 口口 时叫 图2 5 三相三拍控f h l j 电路作用下定子绕组通电顺序图 该方波波形经过c d 4 0 1 7 分频处理后