某工业大学微电子工艺基础掺杂技术

第9章掺杂技术1第9章掺杂技术本章目标：1、熟悉掺杂技术的两种方式2、熟悉扩散掺杂的原理3、掌握离子注入相关概念及其原理4、熟悉离子注入的工艺流程5、了解离子注入系统的设备及其优点第9章掺杂技术一、扩散二、离子注入技术三、集成电路的形成第9章掺杂技术一、扩散

1、扩散原理

2、杂质在硅中的扩散

3、扩散设备与工艺

4、工艺质量检测第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺，在约1000℃的高温、p型或n型杂质气氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，达到一定浓度，实现半导体定域、定量掺杂的一种工艺方法，也叫热扩散。第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式①固相扩散扩散是一种自然现象，由物质自身的热运动引起。微电子工艺中的扩散是杂质在晶体内的扩散，因此是一种固相扩散。第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式②扩散的方式晶体内扩散是通过一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在整个三维方向进行，有多种方式，最主要有：A填隙式扩散B替位式扩散C填隙-替位式扩散第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式②扩散的方式

A填隙式扩散第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式②扩散的方式

B替位式扩散第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（1）扩散方式②扩散的方式

C填隙-替位式扩散许多杂质既可以是替位式也可以是填隙式溶于晶体的晶格中，并以填隙-替位式扩散。这类扩散杂质的跳跃速率随晶格缺陷浓度，空位浓度和杂质浓度的增加而迅速增加。第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（2）扩散方程①第一扩散定律晶体衬底中杂质扩散流密度与杂质浓度梯度成正比，这是第一扩散定律，也称Fick第一定律。第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（2）扩散方程①第一扩散定律第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（2）扩散方程②第二扩散定律讨论晶体中杂质浓度与扩散时间关系，又称Fick第二定律。第9章掺杂技术

一、扩散1、扩散原理（2）扩散方程③影响扩散速率的因素A晶体内杂质浓度梯度；B环境温度；C杂质本身结构、性质；D晶体衬底的结构。第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（1）掺杂的目的（P218）A

在晶圆表面下的特定位置处形成PN结（结合P218的图11.3-图11.5）；B

在晶圆表面下得到所需的掺杂浓度；（结合P219同型掺杂）第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）硅中的杂质类型

①替位式杂质主要是III和V族元素，具有电活性，在硅中有较高的固溶度。多以替位方式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）硅中的杂质类型

②填隙式杂质主要是I和Ⅷ族元素，Na、K、Li、H、Ar等，它们通常无电活性，在硅中以填隙式方式进行扩散，扩散速率快。第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）硅中的杂质类型

③填隙-替位式杂质大多数过渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以填隙-替位式方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具有电活性。第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解

①恒定源扩散恒定源扩散是硅一直处于杂质氛围中，硅片表面达到了该扩散温度的固溶度Ns。解扩散方程：NbNsxj1xj2xj3xNt1t2t3边界条件为：N（0，t）=Ns初始条件为：N（x，0）=0第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解

①恒定源扩散NbNsxj1xj2xj3xNt1t2t3erfc称为余误差函数，所以恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布。第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解

②限定源扩散限定源扩散是在整个扩散过程中，杂质源限定在扩散前积累于硅片表面薄层内的杂质总量Q。第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解

②限定源扩散XXjixj2xj3NsNs’Ns”t1t2t3边界条件：初始条件：解扩散方程：Nb第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（2）扩散方程的解

②限定源扩散限定源扩散杂质浓度是一种高斯函数分布。扩散过程中杂质表面浓度变化很大，但杂质总量Q不变。第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（3）实际扩散

①场助扩散效应硅衬底的掺杂浓度对杂质的扩散速率有影响，衬底掺杂浓度高时这一影响将使扩散速率显著提高，称之为场助扩散效应。第9章掺杂技术

一、扩散2、杂质在硅中的扩散（3）实际扩散

②横向扩散效应（P218）不管是扩散还是离子注入都会发生横向扩散现象，横向扩散的线度是纵向扩散的0.75-0.85倍。第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（1）扩散源

①液态源（参见教材P223）液态源通常是所需掺杂元素的氯化物或溴化物。例如：POCl3、BBr3选择源必需满足固溶度和扩散系数的要求。另外还要选择好掩蔽膜。第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（1）扩散源

①液态源（参见教材P223）液相源扩散系统第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（1）扩散源

①液态源（参见教材P223）层流形成系统：第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（1）扩散源

②固态源（参见教材P223）最原始的淀积源。固态源通常是氧化物B2O3、Sb2O5、P2O5等陶瓷片或粉体，也有用BN。第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（1）扩散源

②固态源使用固态源的三种方式：（参见教材P225）A远程源（匙）B近邻源（圆片）C涂抹源第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（1）扩散源

②固态源（参见教材P223）固相源扩散系统第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（1）扩散源

③气态源（参见教材P224）气态源通常是氢化物：B2H6、PH3、AsH3、BCl3，最受欢迎的扩散源方式。第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（1）扩散源

③气态源（参见教材P224）第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（2）扩散流程①预淀积：（参见P222）A预清洗与刻蚀B炉管淀积C去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）D评估（假片或陪片）②再分布（评估）：（参见P226）第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（2）扩散流程

①预淀积评估（假片或陪片）：通常测方块电阻，方块电阻是指表面为正方形的薄膜，在电流方向的电阻值。

炉管淀积：一般予淀积温度较低，时间也较短。氮气保护。去釉（漂硼硅玻璃或磷硅玻璃）：炉管淀积后的窗口表面有薄薄的一层硼硅玻璃，用HF漂去。第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（2）扩散流程

①预淀积第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（2）扩散流程

②再分布（评估）再分布温度较高，时间也较长。通氧气直接生长氧化层。第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（2）扩散流程

②再分布（评估）第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（2）扩散流程扩散工艺有一步工艺和两步工艺：①一步工艺是恒定源扩散，杂质分布服从余误差分布；②两步工艺分为予淀积和再分布两步予淀积是恒定源扩散，目的是在扩散窗口硅表层扩入总量一定的掺杂元素。再分布是限定源扩散，掺杂源总量已在予淀积时扩散在窗口上了，再分布的目的是使杂质在硅中具有一定的分布或达到一定的结深。第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（3）B扩散原理：

2B2O3+3Si→4B+3SiO2

选源：固态BN源使用最多，必须活化。

800-1000℃活化：4BN+3O2→2B2O3+2N2特点：

B与Si晶格失配系数为0.254，失配大，有伴生应力缺陷，造成严重的晶格损伤，在1500℃，硼在硅中的最大固溶度达4*1020/cm3，但是最大电活性浓度是5*1019/cm3。第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（4）P扩散原理：2P2O5+5Si→4P+5SiO2选源：固态P2O5陶瓷片源使用最多，无须活化。特点：磷是n形替位杂质，失配因子0.068，失配小，杂质浓度可达1021/cm3，该浓度即为电活性浓度。第9章掺杂技术

一、扩散3、扩散工艺与设备（5）例子（N+PN晶体管）43第9章掺杂技术

一、扩散4、工艺质量检测（1）工艺指标

①杂质表面浓度②结深③薄层电阻④分布曲线（2）工艺条件（T,t）的确定

解析扩散方程获得工艺条件，目前用计算机模拟的工艺参数。第9章掺杂技术

一、扩散4、工艺质量检测（3）工艺参数测量

①染色法测结深②阳极氧化测分布函数③四探针法测方块电阻④四探针法测电阻率（4）电参数测量

I-V曲线第9章掺杂技术二、离子注入技术

1、概述

2、离子注入工艺

3、离子注入技术的应用第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（1）热扩散的限制

①横向扩散②实现浅结困难③掺杂浓度控制精度④表面污染第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（2）离子注入技术的引入

高集成度电路的发展需要更小的特征图形与更近的电路器件间距。热扩散对电路的生产已有所限制，于是离子注入法诞生。（见教材P228）离子注入是将含所需杂质的化合物分子（如BCl3、BF3）电离为杂质离子后，聚集成束用强电场加速，使其成为高能离子束，直接轰击半导体材料，当离子进入其中时，受半导体材料原子阻挡，而停留在其中，成为半导体内的杂质。第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（2）离子注入源

对于离子注入而言，只采用气态或固态源材料。由于便于使用和控制，所以离子注入偏向于使用气态源。大多数的气态源通常是氟化物，比如PF5、AsF5、BF3、SbF3与PF3。第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（3）离子注入原理

离子注入是离子被强电场加速后注入靶中，离子受靶原子阻止，停留其中，经退火后杂质进入替位、电离成为具有电活性的杂质。这一过程是一非平衡的物理过程（扩散为化学过程）。第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（4）离子穿透深度

①核阻止离子与硅原子核碰撞，离子能量转移到硅原子核上，结果将使离子改变运动方向，而硅原子核可能离开原位，成为填隙硅原子核。②电子阻止离子与硅中的束缚电子或自由电子碰撞，能量转移到电子，由于离子质量远大于电子，离子方向不变，能量稍减，而束缚电子被激发或电离，自由电子发生移动。影响离子穿透深度的因素有：第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（4）离子穿透深度

行程（R）射程（RP）53第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（5）注入离子分布与剂量（P235）①分布函数注入离子的能量是按几率分布的，所以杂质分布也是按几率分布的。离子注入后杂质浓度的分布接近高斯分布。（教材P235）第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（5）注入离子分布与剂量（P235）②注入离子剂量理论上可以由离子电流大小来量度：其中：I为电流；t为时间；A为注入面积。实际上高能离子入射到衬底时，一小部分与表面晶核原子弹性散射而从衬底表面反射回来并未进入衬底，这叫作背散射现象。第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（5）注入离子分布与剂量（P235）③影响注入的两种效应A侧向效应与扩散比侧向杂质浓度很小，可以不考虑。B沟道渗透效应衬底为单晶材料，如果粒子束准确的沿着晶格方向注入，注入纵向分布峰值与高斯分布不同。一部分粒子束穿过较大距离。这就是沟道渗透效应。（P236）第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（6）注入损伤与退火（P235-236）①晶格损伤（详细可参考P235最下部分）高能离子在硅（靶）内与晶格多次碰撞，能量转移到晶格，晶格原子位移，位移原子再碰撞其它原子，使其它原子再位移，即出现级联碰撞，从而导致晶格损伤。第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（6）注入损伤与退火（P235-236）②退火B

注入杂质电激活注入的杂质多以填隙式方式存在于硅中，无电活性。退火，在某一高温下保持一段时间，使杂质通过扩散进入替位位置，有电活性。A

修复晶格损伤退火的目的：第9章掺杂技术

二、离子注入技术1、概述（6）注入损伤与退火（P235-236）②退火退火特点：

A效果与温度，时间有关，温度越高、时间越长退火效果越好。

B退火使得杂质再分布。第9章掺杂技术

二、离子注入技术2、离子注入工艺（1）衬底与掩膜①衬底为（111）晶向硅时，为了防止沟道渗透效应，一般采取偏离晶向7°②掩膜因为离子注入是在常温下进行，所以光刻胶、二氧化硅薄膜、金属薄膜等多种材料都可以作为掩膜使用，要求掩蔽效果达到99.99%。第9章掺杂技术

二、离子注入技术2、离子注入工艺（2）注入方法

A直接注入：离子在光刻窗口直接注入Si衬底。射程大、杂质重时采用。

B间接注入法：通过介质薄膜或光刻胶注入衬底晶体。间接注入沾污少，可以获得精确的表面浓度。

C多次注入：通过多次注入使杂质纵向分布精确可控，与高斯分布接近；也可以将不同能量、剂量的杂质多次注入到衬底硅中，使杂质分布为设计形状。

第9章掺杂技术

二、离子注入技术2、离子注入工艺（3）注入工艺

A离子化

B质谱分析（选择合适粒子）

C电场加速

D聚焦第9章掺杂技术

二、离子注入技术2、离子注入工艺（4）退火①高温退火②快速退火③激光退火④电子束退火后两种方法是较新的低温退火工艺。退火温度要低于扩散杂质时温度以防止横向扩散。第9章掺杂技术

二、离子注入技术3、离子注入技术的应用（1）优点①离子注入克服热扩散的几个问题：

A横向扩散，没有侧向扩散B浅结

C粗略的掺杂控制D表面污染的阻碍②离子注入引入的额外的优势：（P228）

A在接近常温下进行

B使宽范围浓度的掺杂成为可能第9章掺杂技术

二、离子注入技术3、离子注入技术的应用（2）设备第9章掺杂技术

二、离子注入技术3、离子注入技术的应用（2）设备第9章掺杂技术

二、离子注入技术3、离子注入技术的应用（3）缺点①设备昂贵②设备在高压和更多有毒气体的使用上出现新的危险③超浅结不易控制第9章掺杂技术三、集成电路的形成

1、概述

2、器件与集成电路工艺的区别

3、电隔离

4、电连接

5、局部氧化

6、平面化

7、吸杂第9章掺杂技术三、集成电路的形成1、概述IC是指在一个芯片上制备多个微电子元件（晶体管、电阻、电容等），各元件之间是电隔离的。IC采用金属薄膜实现各元件之间的电连接，由此构成电路。集成电路的制造工艺与分立器件的制造工艺一样都是在硅平面工艺基础上发展起来的，有很多相同之处，同时又有所不同。第9章掺杂技术

三、集成电路的形成2、器件与集成电路工艺的区别相同点：单项工艺相同的方法外延，氧化，光刻，扩散，离子注入，淀积等。不同点：主要有电隔离，电连接，局部氧化，平整化以及吸杂等。第9章掺杂技术三、集成电路的形成3、电隔离双极型集成电路多采用PN结隔离，是在硅片衬底上通过扩散与外延等工艺制作出隔离岛，元件就做在隔离岛上。（1）PN结隔离优点：工艺成熟，方法简单，成品率高缺点：PN结有反向漏电现象，反向漏电受温度、辐射等外部环境影响大，故PN结隔离的IC有受温度、辐射等的外部环境影响大的缺点。第9章掺杂技术三、集成电路的形成3、电隔离主要有SiO2，Si3N4隔离。薄膜IC，混合IC多采用介质隔离工艺。SOS集成电路（SilicononSapphire）是最早的介质隔离薄膜电路，新材料SOI（SilicononInsulator）有很大发展，SOI集成电路也是采用介质隔离工艺的电路。（2）介质隔离第9章掺杂技术三、集成电路的形成4、电连接集成电路各元件之间构成电路必须进行电连接，这多是采用淀积金属薄膜，经光刻工艺形成电连接图形，电路复杂的集成电路一般是多层金属布线，构成电连接。第9章掺杂技术三、集成电路的形成5、局部氧化分离器件的氧化工艺是在整个硅片表面制备二氧化硅薄膜，而集成电路工艺中的氧化有时是在局部进行，如MOS型电路中以氮化硅作为掩蔽膜的局部氧化技术。第9章掺杂技术三、集成电路的形成6、平面化超大规模集成电路的制备经过多次光刻、氧化等工艺，使得硅片表面不平整，台阶高，这样在进行电连接时，台阶处的金属薄膜连线易断裂，因此，有时通过平面化技术来解决这一问题，如在金属布线进行电连接之前，采用在硅片表面涂附聚酰亚胺膜的方法达到平面化的工艺技术。第9章掺杂技术三、集成电路的形成7、吸杂随着集成电路集成度的大幅度提高，硅单晶本身的缺欠以及电路制备工艺中的诱生缺欠，对电路性能影响很大，特别是有源元件附近的缺欠，通过吸杂技术可以消除或减少缺欠，如通过在硅片背面造成机械损伤，喷沙或研磨，这种背损伤可以吸收杂质与缺欠。第9章掺杂技术

四、作业题（1）说明用于硅中扩散常见的固态、液态、气态源。（2）扩散的方式有哪三种？（3）影响扩散速率的因素有哪些？（4）杂质在硅中的扩散过程分为那两步，它们分别属于恒定源扩散还是限定源扩散，请用图形来说明这两个扩散过程。（5）为什么要引入离子注入技术，离子注入技术有哪些优势？（6）离子注入的原理？（7）说明退火的目的和特点？

谢谢！78谢谢观看/欢迎下载BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH2009电子大赛电机部分培训一、直流电机（）汇报人姓名图4为采用内部集成有两个桥式电路的专用芯片L298所组成的电机驱动电路。驱动芯片L298是驱动二相和四相步进电机的专用芯片，我们利用它内部的桥式电路来驱动直流电机，这种方法有一系列的优点。每一组PWM波用来控制一个电机的速度，而另外两个I/O口可以控制电机的正反转，控制比较简单，电路也很简单，一个芯片内包含有8个功率管，这样简化了电路的复杂性，如图所示IOB10、IOB11控制第一个电机的方向，IOB8输入的PWM控制第一个电机的速度；IOB12、IOB13控制第二个电机的方向，IOB9输入的PWM控制第二个电机的速度。

）

步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。特点:（1）来一个脉冲，转一个步距角。（2）控制脉冲频率，可控制电机转速。（3）改变脉冲顺序，可改变转动方向。应用：由于步进电动机的这一工作职能正好符合数字控制系统要求，因此它在数控机床、钟表工业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用二、步进电动机及其控制种类：励磁式和反应式两种。励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，依靠电磁转矩工作。反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。依靠变化的的磁阻生成磁阻转矩工作。应用最广泛，它有两相、三相、多相之分。三相反应式步进电动机的原理结构图如下：ABCIAIBIC

定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。采用Y连接，转子有四个齿。定子转子1、步进电机的结构2、步进电机的工作原理

由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。现以BCIAIBIC的通电顺序，使三相绕组轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。ABCA（1）三相单三拍（FLASH）CA'BB'C'A3412

A相绕组通电，B、C相不通电。气隙产生以A-A为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。“三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。CA'BB'C'A3412

同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B´磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。1C'342CA'BB'ACA'BB'C'A3412

这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通电，转子1、3齿与A、A'对齐。

A、B相同时通电，A、A'磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。按AABBBCC

CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。（2）三相六拍（FLASH）CA'BB'C'A3412B相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15。3412CA'BB'C'AB、C相同时通电，C'、C

磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15。三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AABBBCC

CA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90(齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。AB通电CA'BB'C'A3412BC通电3412CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A3412与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。（3）三相双三拍（FLASH）按ABBCCA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。

从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：—步距角Zr

—转子齿数m—每个通电循环周期的拍数实用步进电机的步距角多为3和1.5。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的。相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度/（转子齿数*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。3.步进电机的静态指标术语定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。1)步距角精度

步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。2)失步

电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。3)失调角

转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。4)最大空载起动频率

4.步进电机动态指标及术语电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。5)最大空载的运行频率

电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。6)运行矩频特性

电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如图2所示：图2力矩与频率曲线图环形分配器、功率放大器以及其它控制线路组合构成步进电机的驱动系统，其方框图如图4，在下一节的方案选择时，也是按照驱动系统的结构来进行。5.步进电机驱动系统的结构图4步进电机驱动系统结构图基本原理作用如下：

(1)控制换相顺序

通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C相的通断。

(2)控制步进电机的转向

如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。

(3)控制步进电机的速度

如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。

主要元件：恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N、光电耦合器TLP521-4

工作电压方式：直流

工作电压：信号端4~6V、控制端5~36V

调速方式：直流电动机采用PWM信号平滑调速。

特点：

1、可实现电机正反转及调速。

2、启动性能好，启动转矩大。3、工作电压可达到36V，4A。

4、可同时驱动两台直流电机。

5、适合应用于机器人设计及智能小车的设计中。

实例一：用L298驱动两台直流减速电机的电路。引脚A，B可用于PWM控制。如果机器人项目只要求直行前进，则可将IN1，IN2和IN3，IN4两对引脚分别接高电平和低电平，仅用单片机的两个端口给出PWM信号控制A，B即可实现直行、转弯、加减速等动作。

实例二：用L298实现二相步进电机控制。将IN1，IN2和IN3，IN4两对引脚分别接入单片机的某个端口，输出连续的脉冲信号。信号的快慢决定了电机的转速。改变绕组脉冲信号的顺序即可实现正反转。图13L298驱动步进电机伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对象。伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。伺服电动机可分为两类：交流伺服电动机和直流伺服电动机三、伺服电动机及其控制1、交流伺服电动机

交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。励磁绕组控制绕组杯形转子内定子交流伺服电动机结构图~Uf~UcC其旋转速度n为:n=60f(1-s)/p=n0(1-s)f:交流电源频率(HZ)p:为磁级对数n0:电动机旋转磁场转速(r/min),

n0=60f/ps:转差率,s=(n0-n)/n0图5—21.基本工作原理:交流伺服电动机以单相异步电动机原理为基础，从图5—2可以看出，励磁绕组WF接到电压为Uf的交流电网上，控制绕组WC接到控制电压Uc上，当有控制信号输入时，两相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以一定的转差率转动起来.放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组励磁绕组+++–––11(b)相量图交流伺服电动机的接线图和相量图(a）接线图交流伺服电动机的接线图和相量图放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组励磁绕组+++–––1励磁绕组串联电容C,是为了产生两相旋转磁场。适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90,从而产生所需的旋转磁场。控制电压与电源电压频率相同，相位相同或反相。励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，电机无起动转矩，转子不转。放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组励磁绕组+++–––1

若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流和控制绕组电流不同相、相位相差90度、幅值相等i1=Ikmsinωti2=Ikmsin(ωt-90)Bk=BmsinωtBj=Bmsin(ωt-90)因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现象称为“自转”。什么是“自转”现象？2.消除自转现象的措施由三相异步电动机的特性可知，转子电阻值对电动机的机械特性有较大的影响，如图5—4所示。当转子阻值增大到一定程度，例如图中r23时，最大转矩可出现在s=l附近。为此目的，把伺服电动机的转子电阻r2设计得很大，使电动机在失去控制信号单相运行时，正转矩或负转矩的最大值均出现在Sm>1的地方，这样可得出图5—5所示的机械特性曲线。