專利名稱：毫米級(jí)電磁微電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種毫米級(jí)的電磁型微電機(jī)，屬于電機(jī)、微機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。
所謂毫米級(jí)微電機(jī)，是指外形尺寸為毫米數(shù)量級(jí)或更小的電機(jī)(又稱微馬達(dá))，它是采用現(xiàn)代微電子制造技術(shù)中的微細(xì)加工技術(shù)制造的。微電機(jī)作為典型的MEMS和微機(jī)械的核心要素技術(shù)，一直是微機(jī)械研究的熱點(diǎn)。目前已知的毫米級(jí)微電機(jī)，有采用靜電型的，如美國(guó)加利福尼亞大學(xué)制成的是一種同步式的靜電型微電機(jī)，它采用12個(gè)駐極定子，轉(zhuǎn)子由4極三列同步脈沖驅(qū)動(dòng)。由于靜電型微電機(jī)的摩擦力很大，需要很高的驅(qū)動(dòng)電壓(60～100V)才能使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)速不高。日本NEC公司仿照上述原理用單晶硅作出了轉(zhuǎn)子直徑為50μm的靜電微馬達(dá)，但在性能上沒(méi)有多大提高。MEMS雜志報(bào)道德國(guó)B.Wagner等人用IC工藝制造的電磁型微電機(jī)，其轉(zhuǎn)子特征尺寸在1mm上下，由稀土永磁材料制成，其定子是用在硅基底上沉淀的金制作的平面線圈，線圈允許的最大電流為650mA，該旋轉(zhuǎn)電機(jī)的最大力矩為100nNm，最高轉(zhuǎn)速2000rpm。但目前這類旋轉(zhuǎn)式微電機(jī)的結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)子均位于定子線圈中間，即轉(zhuǎn)子位于平面線圈繞組的中心。轉(zhuǎn)子的磁化方向?yàn)樗椒较?，?dāng)基片上平面定子繞組通電時(shí)，其對(duì)應(yīng)線圈內(nèi)側(cè)靠近轉(zhuǎn)子的導(dǎo)線所形成的磁場(chǎng)也為水平磁化。由于轉(zhuǎn)子位于定子繞組中間，盡管轉(zhuǎn)子的尺寸可能做得較小，但電機(jī)總的外形尺寸并沒(méi)有縮小。理論證明，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與磁性轉(zhuǎn)子的體積成正比。由于同樣外形尺寸的條件下，此類電機(jī)的轉(zhuǎn)子較小，所以需要通以較大的電流才能得到1μN(yùn)m左右的轉(zhuǎn)矩。即電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩相對(duì)較小。
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種毫米級(jí)的電磁型微電機(jī)，它能在有限的尺寸條件下，輸出足夠大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，即輸出功率大、效率高、驅(qū)動(dòng)電壓低。
本發(fā)明采用的是電磁轉(zhuǎn)換型的微電機(jī)。與現(xiàn)有的電磁型微電機(jī)的結(jié)構(gòu)不同的是，本發(fā)明的微電機(jī)的磁性轉(zhuǎn)子位于平面定子線圈上方，在不擴(kuò)大電機(jī)總的外形尺寸的前提下，其磁性轉(zhuǎn)子的直徑可以做得較大。磁性轉(zhuǎn)子的磁化方向?yàn)榇怪狈较?。?dāng)基片平面上定子繞組通電時(shí)，其形成的磁場(chǎng)也為垂直磁化。本發(fā)明的電磁型微電機(jī)，采用現(xiàn)代微電子制造技術(shù)中的微細(xì)加工方法，在直徑2mm、厚度0.4mm的陶瓷基片上，制備6只多層平面繞組線圈及3只薄膜磁阻傳感器作為微電機(jī)的定子。由直徑2mm、厚度0.3mm的稀土永磁和鎳鐵軟磁合金組成的薄膜，經(jīng)專用充磁設(shè)備對(duì)其充磁，使之具有特殊的磁路，作為轉(zhuǎn)子。通過(guò)磁阻傳感器的信號(hào)測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置以決定定子繞組的通電次序和方向，并控制轉(zhuǎn)子的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)、以及速度調(diào)節(jié)。為減少摩擦損耗及噪聲，簡(jiǎn)化制造工藝，本發(fā)明采用無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)型式，即以電子換向代替一般直流電機(jī)的電刷換向。由于本發(fā)明微電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑相對(duì)較大，因此具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩及較高效率。
本發(fā)明毫米級(jí)電磁微電機(jī)由于上述結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有輸出功率大、效率高，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定可調(diào)、驅(qū)動(dòng)電壓低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有實(shí)用價(jià)值的微電機(jī)。該微電機(jī)與其他微電子機(jī)械結(jié)合可制成微型機(jī)器人，將來(lái)可進(jìn)入人體施行醫(yī)療手術(shù)；與集成電路結(jié)合制成的特種器件，在光通信、計(jì)算機(jī)、航空航天、精密電子儀器等高科技術(shù)領(lǐng)域中都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
本發(fā)明毫米級(jí)電磁型微電機(jī)與美、德等國(guó)學(xué)者研制的同類微電機(jī)的基本性能比較如下表


圖1是本發(fā)明毫米級(jí)電磁型微電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)裝配圖。
圖2是本發(fā)明毫米級(jí)電磁型微電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)。
圖3是本發(fā)明毫米級(jí)電磁型微電機(jī)的磁性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
圖4是圖3所示磁性轉(zhuǎn)子上的磁化方向示意圖。
圖5是本發(fā)明電磁微電機(jī)的定轉(zhuǎn)子之間磁力作用示意圖。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
本發(fā)明毫米級(jí)電磁微電機(jī)采用制備集成電路的微細(xì)加工方法制成。該電機(jī)由平面微型繞組線圈、磁阻傳感器、磁性轉(zhuǎn)子及控制電路等組成。圖1是該微電機(jī)的整體裝配結(jié)構(gòu)圖。它由經(jīng)磨削拋光的陶瓷基片3、微型磁阻傳感器2、平面繞組線圈5、氧化鋁絕緣保護(hù)層4、磁性轉(zhuǎn)子1，以及直徑為0.2mm的主軸6組成。在陶瓷基片3上運(yùn)用濺射、光刻、刻蝕方法制備磁阻傳感器2的元件，然后濺射一層氧化鋁絕緣保護(hù)層4，厚度2500A以上，以保證磁阻傳感器2和定子繞組之間的絕緣。運(yùn)用濺射、光刻、電鍍、濺射絕緣層等方法制備6只多層平面繞組線圈5，3只磁阻傳感器2則沿圓周方向?qū)ΨQ地安置在平面繞組線圈5的間隔內(nèi)。磁性轉(zhuǎn)子1位于平面繞組線圈5上部，其直徑與作為定子的平面繞組線圈5的直徑相同。磁性轉(zhuǎn)子1由稀土永磁材料和鎳鐵軟磁材料兩層復(fù)合薄膜制成，其中，稀土永磁合金層厚約0.25mm，鎳鐵合金層厚約0.1mm，該鎳鐵軟磁合金層作為導(dǎo)通磁路，具有提高輸出功率的作用。為降低主軸6和磁性轉(zhuǎn)子1之間的摩擦阻力和提高轉(zhuǎn)子壽命，在磁性轉(zhuǎn)子1的中心鑲有寶石軸承8。磁性轉(zhuǎn)子1由專用充磁機(jī)進(jìn)行充磁，使之具有特殊的磁路結(jié)構(gòu)。通過(guò)定子上的磁阻傳感器2，測(cè)定磁性轉(zhuǎn)子1的磁極位置，來(lái)決定定子繞組的通電次序和方向，控制轉(zhuǎn)子正反向轉(zhuǎn)動(dòng)和調(diào)速。
本發(fā)明毫米級(jí)電磁型微電機(jī)的磁性轉(zhuǎn)子1的磁化方向垂直于膜面，在轉(zhuǎn)子內(nèi)共有8只磁化方向不同的磁極，如圖4所示。平面繞組線圈(即定子)5上共有6只線圈，其中，對(duì)向的兩只為一組。當(dāng)定子線圈通電時(shí)，由于轉(zhuǎn)子有磁場(chǎng)存在，則磁場(chǎng)內(nèi)通電導(dǎo)線將受到作用力，該作用力將使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。圖5所示為定轉(zhuǎn)子間的磁力作用示意。在圖5上，轉(zhuǎn)子和定子線圈示意圖重合在一起，并示出了轉(zhuǎn)子的磁化方向9和定子線圈內(nèi)電流的方向10，以及產(chǎn)生的作用力的方向11(圖中只畫(huà)出了一組定子線圈的電流和受力的方向)。由于線圈作用力的方向相同，所以可驅(qū)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。由于本發(fā)明微電機(jī)的磁性轉(zhuǎn)子1位于作為定子的平面繞組線圈5的上部，兩者的直徑大小相同，因此，在電機(jī)總的外形尺寸不擴(kuò)大的前提下，與轉(zhuǎn)子位于定子線圈中間的同類電機(jī)相比，本發(fā)明的轉(zhuǎn)子直徑較大，從而具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和較高的效率。
權(quán)利要求
1.一種毫米級(jí)電磁微電機(jī)，主要由平面微型繞組線圈、磁阻傳感器、磁性轉(zhuǎn)子及控制電路組成，其特征在于磁性轉(zhuǎn)子(1)位于平面繞組線圈(5)上部，且該磁性轉(zhuǎn)子(1)的直徑與平面繞組線圈(5)的直徑相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米級(jí)電磁型微電機(jī)，其特征在于在由陶瓷基片(3)上形成的平面繞組線圈(5)的間隔里，沿圓周方向還對(duì)稱地排列著微型磁阻傳感器(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米級(jí)電磁微電機(jī)，其特征在于磁性轉(zhuǎn)子(1)是一圓形薄膜，由稀土永磁材料和鎳鐵軟磁材料兩層復(fù)合而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米級(jí)電磁微電機(jī)，其特征在于；磁性轉(zhuǎn)子(1)與主軸(6)之間鑲裝有寶石軸承(8)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種毫米級(jí)的電磁型微電機(jī)，它由平面微型繞組線圈(定子)、磁阻傳感器、磁性轉(zhuǎn)子及控制電路等組成。其磁性轉(zhuǎn)子(1)由稀土永磁和鎳鐵軟磁材料復(fù)合薄膜制成，位于平面繞組線圈(5)上方，其直徑與平面繞組線圈(5)的直徑相同。在外形尺寸不變的前提下，該微電機(jī)的轉(zhuǎn)子尺寸較大，從而轉(zhuǎn)動(dòng)力矩也較大。本發(fā)明毫米級(jí)電磁微電機(jī)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有輸出功率大、效率高、驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn)，在微型機(jī)器人、光通信、航空航天等高科技領(lǐng)域有重要實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)H02K29/00GK1135677SQ95111629
公開(kāi)日1996年11月13日 申請(qǐng)日期1995年5月8日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月8日
發(fā)明者張壽柏, 張琛, 趙小林, 蔡炳初, 宋柏泉 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)