1、一款微型靜電旋轉(zhuǎn)電機設(shè)計林奎成（清華大學(xué)精儀系，北京 100084）摘 要：微型靜電電機是mems技術(shù)中一種非常重要的機械驅(qū)動裝置，相關(guān)的研究引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視。本文從原理方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、集總參數(shù)建模、數(shù)值仿真計算等方面對一款典型的微型靜電旋轉(zhuǎn)電機進行了設(shè)計。結(jié)合理論推導(dǎo)公式分析了靜電旋轉(zhuǎn)電機的性能優(yōu)化方法。根據(jù)理論轉(zhuǎn)矩公式設(shè)計了電機相關(guān)尺寸參數(shù)，計算出當(dāng)最大激勵電壓為50v時，其理論最大轉(zhuǎn)矩為7nnm，滿足實際要求。采用表面微機械加工、表面刻蝕以及氣相沉積相結(jié)合的方法設(shè)計了微型靜電電機的加工工藝。關(guān)鍵詞：微型靜電電機；集總參數(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；表面刻蝕 中圖分類號：design of

2、a micro electrostatic rotary motorlin kuicheng(department of precision instruments and mechanology tsinghua university, beijing 100084)abstract: electrostatic micro-motor is a very important technology in the mems mechanical driveunit,related research has aroused great attention of scholars home and

3、 abroad. from the principle of design, structural design,lumped parameter modeling,numerical simulation and other aspects，a typical micro electrostatic rotary motor is designed. combining theoretical formula, this article analysed the electrostatic rotary motor performance optimization methods. acco

4、rding to the theoretical design of the motor torque formula, this article designed size parameters, calculated that when the maximum excitation voltage of 50v, its theoretical maximum torque 7nnm,meeting the actual requirements. using surface micro-machining, surface etching and vapor deposition met

5、hod designed of a micro electrostatic motor processes. keywords: electrostatic micro-motor; lumped parameter; structural design; surface etching0 前言微機電系統(tǒng)（mems）技術(shù)的發(fā)展使得眾多的工業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)了革命性的發(fā)展，微型電機是mems中的非常重要的一種機械驅(qū)動裝置，一定程度上代表著mems發(fā)展水平。1987年加州大學(xué)伯克利分校科學(xué)家研制出世界上第一臺微型靜電電機，此后掀起了微電機的發(fā)展的浪潮，相繼出現(xiàn)了頂驅(qū)動電機、側(cè)驅(qū)動電機、擺動電機、中心電機、

6、法蘭盤電機、線性步進電機等多種微電機。1微型靜電電機具有轉(zhuǎn)速高、無直流功耗、易于控制以及加工工藝可與ic制造工藝相結(jié)合的特點，因而引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。微型靜電電機技術(shù)主體包括五個方面，設(shè)計、建模和仿真、加工制造、應(yīng)用及其可靠性分析。一般來說，微型靜電電機可適用于諸如靜電微泵等微驅(qū)動器、微傳感器、半導(dǎo)體器件、光電子元件和數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)等低轉(zhuǎn)矩、高速的應(yīng)用，且適合于在芯片上完成工作。2在制造工藝方面，以美國、日本以及德國分別代表了三種制造工藝，美國以硅表面超微加工技術(shù)為代表，利用犧牲層技術(shù)與集成電路工藝相結(jié)合的加工方法；日本以傳統(tǒng)的機械加工方法為主；德國主要采用liga技術(shù)，通過電鑄成

7、型和鑄塑形成微結(jié)構(gòu)。3本文將圍繞一種微型靜電旋轉(zhuǎn)電機的設(shè)計展開論述，包括討論微型電機的原理結(jié)構(gòu)、采用集總參數(shù)法進行微型靜電旋轉(zhuǎn)電機的參數(shù)建模以及仿真分析。結(jié)合硅表面加工技術(shù)給出此款電機的制造工藝流程。1 微型靜電旋轉(zhuǎn)電機原理結(jié)構(gòu)設(shè)計微型靜電電機利用介電弛豫原理，其工作原理如下：將一個介電轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)電場之中，則在轉(zhuǎn)子表面將感應(yīng)產(chǎn)生電荷。由于介電弛豫，這些產(chǎn)生的電荷將滯后于旋轉(zhuǎn)的電場，使得感應(yīng)電荷與旋轉(zhuǎn)電場之間產(chǎn)生偏移，而這個偏移將產(chǎn)生一個作用在轉(zhuǎn)子上的力矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的作用力的目標(biāo)是使得電極之間相互接近以達(dá)到能量最小的穩(wěn)定位置。由于轉(zhuǎn)子為移動的電極，因而通過限制轉(zhuǎn)子的移動的自由度即可

8、獲得一個單一方向的位移。根據(jù)上述原理設(shè)計的微型靜電旋轉(zhuǎn)電機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1 微型旋轉(zhuǎn)電機結(jié)構(gòu)示意圖旋轉(zhuǎn)電機定子分布了36個電極，每18個電極為一組構(gòu)成了一相。轉(zhuǎn)子中心為一個滑動微軸承，為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動提供定位和支撐。以機電雙口電容為例，說明根據(jù)介電弛豫原理設(shè)計的電容位移器的作用原理【5】。機電雙口電容存儲的能量為 （2-1）其中表示每個電極的長度，表示微型電機每個電極的寬度，表示上下極板之間的距離，為驅(qū)動電壓，為真空介電常數(shù)。對存儲的能量的求的偏微分則為兩電極之間的驅(qū)動力大小，如下式所示 （2-2）在所設(shè)計的旋轉(zhuǎn)電機中，假設(shè)所有的定子電極（加驅(qū)動電壓的電極）總數(shù)為，被分成了相驅(qū)動，設(shè)計

9、要求能被整除，因而同時被驅(qū)動的電極數(shù)為： （2-3）在電機工作時，個相同的電極同時被驅(qū)動，產(chǎn)生的驅(qū)動力可以表示為： （2-4）則在電極工作時產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩可表示為： （2-5）其中為轉(zhuǎn)子的外半徑。電極的轉(zhuǎn)子半徑一般比轉(zhuǎn)子與定子之間的極板間距要大很多，因而轉(zhuǎn)矩可近似為 （2-6）式（2-6）給出了微型靜電旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動電壓以及其他結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)矩是與驅(qū)動電壓的平方成正比的。可以通過該式選擇合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)使得驅(qū)動電壓與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系滿足設(shè)計要求。2 微型靜電旋轉(zhuǎn)電機結(jié)構(gòu)參數(shù)建模微型靜電旋轉(zhuǎn)電機是一個典型的機電系統(tǒng)，可以用集總參數(shù)法對其進行參數(shù)建模。在建模的過程中考慮電機在工作時所受影

10、響條件可以分為：電機轉(zhuǎn)子本身具有一定的質(zhì)量，可等效為一個電感；轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中將受到軸承與固定支座之間的摩擦阻尼以及轉(zhuǎn)子與定子之間的氣動阻尼，兩者可以疊加為阻尼b，并在等效電路中可以等效為電阻；電子轉(zhuǎn)子承受來自外部所施加的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，在等效電路中可以等效為一個負(fù)電壓。圖2 等效電路根據(jù)等效電路，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速以及負(fù)載力矩之間的關(guān)系式可以列寫為： （3-1）當(dāng)電機處于轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為 （3-2）從式（3-2）可知，改善電機的摩擦性能，在高速運轉(zhuǎn)的條件下，降低軸承與支座之間的阻尼能夠起有效的改善電機的負(fù)載性能。3 數(shù)值仿真計算設(shè)計一款微型靜電旋轉(zhuǎn)電機，其電極長度l為300

11、m，轉(zhuǎn)子外半徑r為600m，定子電極與轉(zhuǎn)子外半徑之間的間距g為5m。定子分布電極數(shù)為36，采用兩路具有相對延時的方波信號作為激勵電壓，激勵電壓最大值v為50v。定子與轉(zhuǎn)子之間介電常數(shù)為8.8710-12f/m。根據(jù)式（2-6）可近似計算出微靜電電機的理論最大輸入轉(zhuǎn)矩t=7nnm。由于理論的數(shù)值計算沒有考慮轉(zhuǎn)子摩擦損耗、電極之間邊緣效應(yīng)等情況造成的轉(zhuǎn)矩?fù)p失，因而實際輸出的轉(zhuǎn)矩將會比理論計算的低，具體實際輸出的轉(zhuǎn)矩有待進一步的實驗驗證。結(jié)合式（2-6）進行分析，電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩是與定子電極數(shù)、電極長度、轉(zhuǎn)子外半徑以及最大輸入電壓等參數(shù)正相關(guān)的，而與定子和轉(zhuǎn)子之間的間距、激勵電壓相數(shù)等參數(shù)負(fù)相關(guān)的

12、。介電常數(shù)方面也是一個可以改進的重要因素，真空介電常數(shù)是很小的，可以嘗試在轉(zhuǎn)子和定子之間填充一些特殊液體，同時在制作轉(zhuǎn)子時對表面進行納米工藝處理，改善其與相關(guān)液體粘附性，或許能夠大幅度提高輸出轉(zhuǎn)矩。在考慮調(diào)整最大輸出轉(zhuǎn)矩時可以針對不同的參數(shù)進行調(diào)整，以達(dá)到整個系統(tǒng)的優(yōu)化，這些都可以在今后的研究中進行深入的探討。4 加工工藝流程此款靜電電機的加工技術(shù)將傳統(tǒng)的表面微機械加工與表面刻蝕以及化學(xué)氣相沉積（pecvd）等方法相結(jié)合。其主要的加工步驟4如下，如圖3所示。圖3 微靜電旋轉(zhuǎn)電機加工原理圖（1）以硅作為基質(zhì)，并在其上分別形成一層sio2和一層氮化硅層以保證至少300v的絕緣能力，同時也避免基質(zhì)表

13、面的機械變形。然后在氮化硅層上布置一層多晶硅層p0作為轉(zhuǎn)子的接地電極。采用pecvd的工藝在多晶硅層上沉積已成sio2作為犧牲層s0。（2）采用lpcvd沉積和sf6垂直刻蝕的方式在在s0層上形成電機的定子和轉(zhuǎn)子電極層p1。（3）用hf腐蝕犧牲層s0的中間結(jié)構(gòu)一直到p0層，此處的p0層發(fā)揮了停止層的作用。對s0層的腐蝕包括兩個部分，第一個部分是腐蝕中間結(jié)構(gòu)，第二部分是腐蝕轉(zhuǎn)子與定子之間的s0層。通過控制轉(zhuǎn)子與定子之間的s0層的腐蝕，能夠控制轉(zhuǎn)子與定子之間的距離，以滿足不同的參數(shù)設(shè)計。（4）在第（3）步的腐蝕之后，再進行定向刻蝕控制犧牲層s0的中間結(jié)構(gòu)的形狀形成轉(zhuǎn)子軸承的結(jié)構(gòu)形狀。通過合理的設(shè)計

14、需要使得軸承能夠支撐轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，同時減小摩擦。（5）采用pecvd的方式沉積多晶硅層，再采用反應(yīng)離子刻蝕的方式對所形成的多晶硅層進行刻蝕形成轉(zhuǎn)子軸承的結(jié)構(gòu)。（6）采用hf對結(jié)構(gòu)進行整體腐蝕，清除所有的sio2犧牲層，完成微電機結(jié)構(gòu)的制作。5 結(jié)語微型靜電電機相關(guān)的研究引起了國內(nèi)外學(xué)者的研究熱潮。本文設(shè)計了一款微型靜電旋轉(zhuǎn)電機。文中進行了原理設(shè)計，分析了微型靜電旋轉(zhuǎn)電機的工作原理，推導(dǎo)了其理論轉(zhuǎn)矩輸出公式；采用集總參數(shù)法進行了電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)建模，分析驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與電機制造工藝之間的關(guān)系，根據(jù)推導(dǎo)結(jié)果提出了電機性能的優(yōu)化方法；根據(jù)理論轉(zhuǎn)矩公式設(shè)計了電機相關(guān)尺寸參數(shù)，計算出當(dāng)最大激勵電壓為50v時，其理

15、論最大轉(zhuǎn)矩為7nnm，滿足設(shè)計要求，分析了電機相關(guān)物理參數(shù)對輸出轉(zhuǎn)矩的影響；采用表面微機械加工、表面刻蝕以及氣相沉積相結(jié)合的方法設(shè)計了微型靜電電機的加工工藝。本文提出了通過改進轉(zhuǎn)子與定子之間的介電常數(shù)，采用黏性低、介電常數(shù)大的液體填充間隙的方法增大輸出轉(zhuǎn)矩的思路，將進一步進行研究。參考文獻(xiàn)1 張文明，孟光，周健斌靜電微電機及其可靠性分析j機械強度： 2005，27（1）：050-0562 鄭文鵬，張洲新型微電機的發(fā)展及應(yīng)用j上海：中國電子科技集團公司第二十一研究所，20093 李翠萍，柴鳳，于艷君等靜電馬達(dá)發(fā)展綜述j微電機：2009年第42卷第5 期：47-504 edin sarajlic,

16、 christophe yamahata, mauricio cordero, and hiroyuki fujita. three-phase electrostatic rotary stepper micrometer with a flexural pivot bearing. journal of microelectromechanical systems, vol. 19, no. 2, april 20105 張高飛微系統(tǒng)設(shè)計與系統(tǒng)集成課程課件清華大學(xué)：2010-2011學(xué)年度秋季學(xué)期文 - 漢語漢字 編輯詞條文，wen，從玄從爻。天地萬物的信息產(chǎn)生出來的現(xiàn)象、紋路、軌跡，描繪

17、出了陰陽二氣在事物中的運行軌跡和原理。故文即為符。上古之時，符文一體。古者伏羲氏之王天下也，始畫八卦，造書契，以代結(jié)繩(爻)之政，由是文籍生焉。-尚書序依類象形，故謂之文。其后形聲相益，即謂之字。-說文序倉頡造書，形立謂之文，聲具謂之字。-古今通論(1) 象形。甲骨文此字象紋理縱橫交錯形。文是漢字的一個部首。本義:花紋;紋理。(2) 同本義 figure;veins文，英語念為:text、article等，從字面意思上就可以理解為文章、文字，與古今中外的各個文學(xué)著作中出現(xiàn)的各種文字字形密不可分。古有甲骨文、金文、小篆等，今有宋體、楷體等，都在這一方面突出了文的重要性。古今中外，人們對于文都有自

18、己不同的認(rèn)知，從大的方面來講，它可以用于表示一個民族的文化歷史，從小的方面來說它可用于用于表示單獨的一個文字，可用于表示一段話，也可用于人物的姓氏。折疊編輯本段基本字義1事物錯綜所造成的紋理或形象：燦若錦。2.刺畫花紋：身。3記錄語言的符號：字。盲。以害辭。4用文字記下來以及與之有關(guān)的：憑。藝。體。典。苑。獻(xiàn)（指有歷史價值和參考價值的圖書資料）。采（a文辭、文藝方面的才華；b錯雜艷麗的色彩）。5人類勞動成果的總結(jié)：化。物。6自然界的某些現(xiàn)象：天。水。7舊時指禮節(jié)儀式：虛。繁縟節(jié)（過多的禮節(jié)儀式）。8文華辭采，與“質(zhì)”、“情”相對：質(zhì)彬彬。9溫和：火。靜。雅。10指非軍事的：職。治武功（指禮樂教

19、化和軍事功績）。11指以古漢語為基礎(chǔ)的書面語：552言。白間雜。12專指社會科學(xué)：科。13掩飾：過飾非。14量詞，指舊時小銅錢：一不名。15姓。16 皇帝謚號，經(jīng)緯天地曰文；道德博聞曰文；慈惠愛民曰文；愍民惠禮曰文；賜民爵位曰文；勤學(xué)好問曰文；博聞多見曰文；忠信接禮曰文；能定典禮曰文；經(jīng)邦定譽曰文；敏而好學(xué)曰文；施而中禮曰文；修德來遠(yuǎn)曰文；剛?cè)嵯酀晃模恍拗伟嘀圃晃模坏旅啦判阍晃模蝗f邦為憲、帝德運廣曰文；堅強不暴曰文；徽柔懿恭曰文；圣謨丕顯曰文；化成天下曰文；純穆不已曰文；克嗣徽音曰文；敬直慈惠曰文；與賢同升曰文；紹修圣緒曰文；聲教四訖曰文。如漢文帝。折疊編輯本段字源字形字源演變與字形比較折疊

20、編輯本段詳細(xì)字義名1右圖是“文”字的甲骨文圖片，資料來源：徐無聞主編：甲金篆隸大字典，四川辭書出版社。1991年7月第一版。“文”字的甲骨文字繪畫的像一個正面的“大人”，寓意“大象有形”、“象形”；特別放大了胸部，并在胸部畫了“心”，含義是“外界客體在心里面的整體影像、整體寫真、整體素描、整體速寫”。許慎說文解字把“文”解釋為“錯畫也”，意思是“對事物形象進行整體素描，筆畫交錯，相聯(lián)相絡(luò)，不可解構(gòu)”，這與他說的獨體為文、合體為字的話的意思是一致的。“說文解字”這個書名就表示了“文”只能“說”，而“字”則可“解”的意思。“文”是客觀事物外在形象的速寫，是人類進一步了解事物內(nèi)在性質(zhì)的基礎(chǔ)，所以它是

21、“字”的父母，“字”是“文”的孩子。“文”生“字”舉例（以“哲”為例）：先對人手摩畫，其文為“手”；又對斧子摩畫，其文為“斤”。以手、斤為父母，結(jié)合、生子，其子就是“折”（手和斤各代表父母的基因）。這個“折”就是許慎所謂的“字”。“字”從宀從子，“宀”表示“獨立的房子”，子在其中，有“自立門戶”的意思。故“字”還能與“文”或其他“字”結(jié)合，生出新“字”來。在本例，作為字的“折”與作為文的“口”結(jié)合，就生出了新的字“哲”。2同本義 figure;veins文，錯畫也。象交文。今字作紋。東漢許慎說文五章以奉五色。春秋左丘明左傳昭公二十五年。注：“青與赤謂之文，赤與白謂之章，白與黑謂之黼，黑與青謂之

22、黻。”美于黼黼文章。荀子非相茵席雕文。韓非子十過織文鳥章，白旆央央。詩小雅六月斑文小魚。明 劉基誠意伯劉文成公文集3又如：文駕（彩車）；文斑（雜色的斑紋）；文旆（有文彩的旗幟）；文繡（繡有彩色花紋的絲織品；刺花圖案）；文織（有彩色花紋的絲織品）；文鱗（魚鱗形花紋）。4字，文字（“文”，在先秦時期就有文字的意思，“字”，到了秦朝才有此意。分別講，“文”指獨體字；“字”指合體字。籠統(tǒng)地說，都泛指文字。） character飾以篆文。南朝宋范曄后漢書張衡傳分文析字。東漢班固漢書劉歆傳夫文，止戈為武。左傳宣公十二年距洞數(shù)百步，有碑仆道，其文漫滅。王安石游褒禪山記文曰“天啟壬戌秋日”。明 魏學(xué)洢核舟記文

23、曰“初平山尺”。5又如：甲骨文；金文；漢文；英文；文跡（文字所記載的事跡）；文書爻（有關(guān)文字、文憑之類的卦象）；文異（文字相異）；文軌（文字和車軌）；文獄（文字獄）；文錢（錢。因錢有文字，故稱）；文狀（字據(jù)，軍令狀）；文引（通行證；路憑）；文定（定婚）。6文章（遣造的詞句叫做“文”，結(jié)構(gòu)段落叫做 “章”。） literary composition故說詩者不以文害辭。孟子萬章上好古文。唐 韓愈師說屬予作文以記之。宋 范仲淹岳陽樓記能述以文。宋 歐陽修醉翁亭記摘其詩文。清 紀(jì)昀閱微草堂筆記7又如：文價（文章的聲譽）；文魔（書呆子）；文會（舊時讀書人為了準(zhǔn)備應(yīng)試，在一起寫文章、互相觀摩的集會）；文

24、移（舊時官府文書的代稱）；文雄（擅長寫文章的大作家）；文意（文章的旨趣）；文義（文章的義理）；文情（文章的詞句和情思）；本文（所指的這篇文章）；作文（寫文章；學(xué)習(xí)練習(xí)所寫的文章）；文魁（文章魁首）；文價（文章的聲價）；文什（文章與詩篇）。8美德；文德 virtue圣云繼之神，神乃用文治。杜牧感懷詩一首9又如：文丈（對才高德韶的老者的敬稱）；文母（文德之母）；文武（文德與武功）；文命（文德教命）；文惠（文德恩惠）；文德（寫文章的道德）；文薄（謂文德淺薄）；文昭（文德昭著）。10.文才；才華。亦謂有文才，有才華 literary talent而文采不表于后世也。漢 司馬遷報任安書11又如：文業(yè)（才

25、學(xué)）；文英（文才出眾的人）；文采風(fēng)流（橫溢的才華與瀟灑的風(fēng)度）；文郎（有才華的青少年）；文彥（有文才德行的人）；文通殘錦（比喻剩下不多的才華）。12文獻(xiàn)，經(jīng)典；韻文 document;classics;verse儒以文亂法。韓非子五蠹言必遵修舊文而不穿鑿。說文解字?jǐn)?3辭詞句。亦指文字記載 writings;record。如：文幾（舊時書信中開頭常用的套語。意為將書信呈獻(xiàn)于幾前）；文倒（文句顛倒）；文過其實（文辭浮夸，不切實際）；文義（文辭）；文辭（言詞動聽的辭令）；文繡（辭藻華麗）。14自然界的某些現(xiàn)象 natural phenomenon經(jīng)緯天地曰文。左傳昭公二十八年15又如：天文；地文；

26、水文；文象（日月星辰變化的跡象）；文曜（指日月星辰；文星）；文昌（星座名）。16文治；文事；文職。與“武”相對。 achievements in culture and education；civilian post文能取勝。史記平原君虞卿列傳文不能取勝。文武并用。唐 魏征諫太宗十思疏精神折沖于千里，文武為憲于萬邦。明袁可立晉秩兵部右侍郎誥17又如：文臣，文吏（文職官吏）；文席（教書先生的幾席）；文品（文官的品階）；文帥（文職官員出任或兼領(lǐng)統(tǒng)帥）；文烈（文治顯赫）；文員（文職吏員）；文階（文職官階）；文道（文治之道）；文業(yè)（文事）；文僚（文職官吏）。18法令條文 articles of decree而刀筆吏專深文巧詆，陷人于罪。史記汲黯列傳19又如：文劾（根據(jù)律令彈劾）；文法吏（通曉法令、執(zhí)法嚴(yán)峻的官吏）；文丈（規(guī)矩；制度）；文移（官府文書）；文牓（布告；文告）；文憲（禮法；法制）。20文言。古代散文文體之一；別于白話的古漢語書面語 literary language。如：半文半白；文語；文白（文言文和白話文）。21文教；禮節(jié)儀式 rites則修文德。論語季氏22又如：文丈(崇尚禮文儀節(jié))；文俗(拘守禮法而安于習(xí)俗)；文致(指禮樂)；文貌(禮文儀節(jié))；文緒（文教禮樂之事）；文儀(禮節(jié)儀式)23指表現(xiàn)形式；外表 form;appearance。如：文