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1、一款微型靜電旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計(jì) 一款微型靜電旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計(jì)林奎成（清華大學(xué)精儀系，北京 100084）摘 要：微型靜電電機(jī)是 MEMS 技術(shù)中一種非常重要的機(jī)械驅(qū)動(dòng)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(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、集總參數(shù)建模、數(shù)值仿真計(jì)算等方面對(duì)一款典型的微型靜電旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。結(jié)合理論推導(dǎo)公式分析了靜電旋轉(zhuǎn)電機(jī)的性能優(yōu)化方法。根據(jù)理論轉(zhuǎn)矩公式設(shè)計(jì)了電機(jī)相關(guān)尺寸參數(shù)，計(jì)算出當(dāng)最大激勵(lì)電壓為 50V 時(shí)，其理論最

2、大轉(zhuǎn)矩為 7N·nm，滿足實(shí)際要求。采用表面微機(jī)械加工、表面刻蝕以及氣相沉積相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)了微型靜電電機(jī)的加工工藝。關(guān)鍵詞：微型靜電電機(jī)；集總參數(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；表面刻蝕 中圖分類號(hào)：Design of a micro electrostatic rotary motorLin Kuicheng(Department of Precision Instruments and Mechanology Tsinghua Univer

3、sity, Beijing 100084)Abstract: Abstract: Electrostatic micro-motor is a very important technology in the MEMS mechanical driveunit,related research has aroused great attention of scholars home and abroad. From the princi

4、ple 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 electrost

5、atic rotary motor performance optimization methods. According to the theoretical design of the motor torque formula, this article designed size parameters, calculated that when the maximum excitation voltage of 50V, its

6、theoretical maximum torque 7N?nm,meeting the actual requirements. Using surface micro-machining, surface etching and vapor deposition method designed of a micro electrostatic motor processes. Keywords: Keywords: electros

7、tatic micro-motor; lumped parameter; structural design; surface etching0 前言 前言微機(jī)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(jī)是MEMS中的非常重要的一種機(jī)械驅(qū)動(dòng)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?？茖W(xué)家研制出世界上第一臺(tái)微型靜電電機(jī)，此后掀起了微電機(jī)的發(fā)展的浪潮，相繼出現(xiàn)了頂驅(qū)動(dòng)電機(jī)、側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、

8、擺動(dòng)電機(jī)、中心電機(jī)、法蘭盤電機(jī)、線性步進(jìn)電機(jī)等多種微電機(jī)。[1]微型靜電電機(jī)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(diǎn)，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(jī)技術(shù)主體包括五個(gè)方面，設(shè)計(jì)、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(jī)可適用于諸如靜電微泵等微驅(qū)動(dòng)器、微傳感器、半導(dǎo)體器件、光電子元件和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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，

9、以美國、日本以及德國分別代表了三種制造以用集總參數(shù)法對(duì)其進(jìn)行參數(shù)建模。在建模的過程中考慮電機(jī)在工作時(shí)所受影響條件可以分為：電機(jī)轉(zhuǎn)子本身具有一定的質(zhì)量 ，可等效為一個(gè)電感 M；轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中將受到軸承與固定支座之間 1 L的摩擦阻尼以及轉(zhuǎn)子與定子之間的氣動(dòng)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 R T，在等效電路中可以等效為一個(gè)負(fù)電壓 。 L V圖 2 等效電路根據(jù)等效電路，轉(zhuǎn)

10、矩與轉(zhuǎn)速以及負(fù)載力矩之間的關(guān)系式可以列寫為：Md T T b M dt? ? ? ? ?（3-1）當(dāng)電機(jī)處于轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為（3- M T T b? ? ?2）從式（3-2）可知，改善電機(jī)的摩擦性能，在高速運(yùn)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(jī)的負(fù)載性能。3 數(shù)值仿真計(jì)算 數(shù)值仿真計(jì)算設(shè)計(jì)一款微型靜電旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其電極長度 L 為300μm，轉(zhuǎn)子外半徑 r 為 600μm，定子電極與轉(zhuǎn)子

11、外半徑之間的間距 g 為 5μm。定子分布電極數(shù)為 36，采用兩路具有相對(duì)延時(shí)的方波信號(hào)作為激勵(lì)電壓，激勵(lì)電壓最大值 V 為 50V。定子與轉(zhuǎn)子之間介電常數(shù)ε為 8.87×10-12F/m。根據(jù)式（2-6）可近似計(jì)算出微靜電電機(jī)的理論最大輸入轉(zhuǎn)矩 T=7N·nm。由于理論的數(shù)值計(jì)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(shí)際輸出的轉(zhuǎn)矩將會(huì)比理論計(jì)算的低，具體實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)矩有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

12、結(jié)合式（2-6）進(jìn)行分析，電機(jī)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(lì)電壓相數(shù)等參數(shù)負(fù)相關(guān)的。介電常數(shù)方面也是一個(gè)可以改進(jìn)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(shí)在制作轉(zhuǎn)子時(shí)對(duì)表面進(jìn)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(shí)可以針對(duì)不同的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化，這些