（机械制造及其自动化专业论文）微电子机械系统中新型电磁微电机的研究.pdf

中国科学院博士研究生学位论文 摘要 微电子机械系统( 简称微机械) 是在八十年代后期崛起的门新兴的 前沿学科。目前，作为二十一世纪的高新技术和潜在的庞大高新技术产业， 微机械已引起世界各国的普遍关注，国内外众多的大学、科研和产业部门 都正在进行广泛深入的研究。微机械是一种独立的微小型化的机电系统， 主要由微驱动器，微传感器，微执行器、微控制器以及能源等几种要素组 成。以微电机为代表的微驱动器一直是微机械系统的关键技术和研究热点 之一，微电机的技术水平在一定程度上反应了一个国家微机械发展的侧面。 电磁微电机具有一些其他类电机无法比拟的优点，是目前最有前途的微驱 动器之一。十年来，人们已经设计制作出了多种形式和结构的电磁微电机， 但是有关电磁微电机的设计理论和实验研究仍然处于探索完善阶段，本文 正是针对这方面的问题以电磁式微电机为研究对象做了以下工作： 首先，在对电磁式微电机的各种工作原理和结构方案进行深入研究和分 析比较的基础上，本文首次推出了“端面摇摆式电磁微电机”的设计思想， 介绍了其结构原理、控制原理和该电机的特点，并从剐体定点运动的基本 原理出发，揭示了电机内部磁场的旋转与转子滚动之间行星减速的运动关 系，推导出了转子的运动方程和电机旋转磁场与转子的减速比计算公式， 从而明确了电机结构参数与电机运动特性的关系。 其次，为全面了解这种薪型电磁电机的电磁特性和动力特性，本文从电 机磁场的基本方程及其边界条件出发，应用无旋磁场的标量磁位概念，建 立了端面摇摆式电磁微电机内部磁场的数学模型，并以此为基础，详细分 析了电机气隙磁场的各方面性质，对气隙磁场的磁标位、磁场强度、磁感 应强度、等磁位面形状、电机工作磁路的分布、电机的工作磁通量以及激 励绕组的自感和相互之间的互感进行了详细的分析计算。 然后，本文从机电系统能量转换的基本原理出发，揭示了端面摇摆式电 磁微电机中的能量关系和机电能量转换机制，详细讨论了实现机电能量转 换的两个重要因素一运动电势和电磁转矩，建立了电机系统在不同控制条 件下的运动方程，推导出了电机在不同控制条件下的输出扭矩计算公式。 通过电机输出扭矩公式，本文还定量分析了电机的各种结构参数和控制参 数与输出扭矩的关系，讨论了电机输出扭矩的性质和变化特点，为合理分 析和设计该类电机提供了理论基础。 最后，作者研制了o5 m m 的端面摇摆式电磁微电机实验样机，并进行了 样机的运动学和动力学实验，验证了端面摇摆式电磁微电机理论体系的正 摘要 确性，为端面摇摆式电磁微电机的应用研究奠定了重要基础。 $ 本文得到了国家科技部攀登计划项目b 的资助。 关键词：微电子机械系统( 微机械) ，电磁微电机，摇摆式电机，电机电磁 场理论。 中闯科学院博士研究生学位论文 a bs t r a c t m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y e t e m ( m e m s ) i san e wa n dd e v e l o p i n g f o r w a r dr e s e a r c hf i e l dw h j c ha r o s ei nt h el a t 口，19 8 0 s a tp r e s e n t ，a san e wa n d h i g ht e c h n i q u ea n dap o t e n t i a lh u g ei n d u s t r y ， m e m sh a sr e c e j v e dm u c h a t t e n t i o nf r o mv a r i o u sc o u t r i e si nt h ew o r l da n dm a n yr e s e a r c ha n di n d u s t i a l o r g a n i z a t i o n sa r ee n g a g i n gi nb r o a da n dd e e ps t u d i e si nm e m s m e m si s a k i n do fi n d e p e n d e n tm i c r om e c h a n i c a la n de l e c t r i c ( o re l e c t r o n i c ) s y s t e m ，i ti s c o m d o s e do fs e v e r a ld a r t s s u c ha sm i c r o a c t u a t o r s 、m i c r os e n s o r s 、 m i c r o e x e c u a t o r s 、m i c f os o u r c eo f e n e r g y e t c a sa t y p i c a l k i n do f m i c r o a c t u a t o r s 、m i c r o m o t o r sh a v eb e e nt h eh o tf i e l di nm e m sr e s e a r c h ，“i s b e l i e v e dt h a tt h et e c h n i c a ll e v e lo fm i c r o m o t o r sr e f l e c t st h ed e v e l o p i n gl e v e l o fm e m so fac o u n t r yi ns o m ee x t e n t m a g n e t i cm i c r o m o t o r sh a v em a n y a d v a n t a g e st h a to t h e rt y p eo fm i c r o m o t o r sd on o th a v e ，a n di so n eo ft h em o s t p r o s p e c t i v em i c r o a c t u a t o r s i nt h el a t e s ty e a r s ，p e o p l eh a v ed e s i g n e da n d m a d em a n yt y p e so fm a g n e t i cm i c r o m o t o r s ，b u tt h e r ea r es t i l lm a n yp r o b l e m s a n dm u c hw o r kw h i c hn e e d st od oa b o u tt h ew o r k i n gp r i n c i p a l 、d es i g nt h e o r y a n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fm a g n e t i cm i c r o m o t o r s ，t h i sd iss e 九a t i o nw a s j u s ta i m e da tt h e s ep r o b l e m sa n dd i df o l l o w i n gw o r k ： f i r s t ，o nt h eb a s i so fa n a l y i n ga n dc o m p a r i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p a l sa n d s t r u c t u r e so fa v a i l a b l em a g n e t j cm j c r o m o t o r s ，t h j sd i s s e r t a t j o np r o p o s e da n e wt y p eo fm a g n e t i cm i c r o m o t o r i n t r o d u c e di t ss t r u c t u r e 、 c o n t r o l l i n g m e t h o d sa n dt h ef e a t u r e s a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h ef i x e d p o i n t m o v e m e n to ft h er i g i db o d y ，t h ed i s s e r t a t i o nr e v e a l e dt h em o v i n gr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h er o t a t i o no ft h ei n n e rm a g n e t i cf i e l do ft h em o t o ra n dt h er o l l i n 2 o ft h er o t o r ，p r e s e n t e dt h em o v i n 2e q u a t i o no ft h er o t o ra n dt h ec a l c u l a t i o n f b r m u l af b rt h er o t a t i o nr a t i ob e t w e e nt h et h ei n n e rm a 叠n e t i cf i e l da n dt h e r o t o r ，a n ds om a d ec l e a rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s a n dt h em o v i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o r n e x t ，i no r d e rt oc o m p r e h a n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n d t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h en e wt y p eo fm a g n e t i cm i c r o m o t o r s ，t h e d i s s e r t a t i o na p p l i e dt h e c o n c e p to ft h em a g n e t i cs c a r l a rp o t e n t i a l o ft h e i r r o t a t i o n a lm a g n e t i cf i e i d sa n ds e tu pt h em a t h m a t i cm o d e lf o rt h ei n n e r m a g n e t i cf i e l do ft h en e wt y p eo fm o t o r sf r o mt h eb a s i ce q u a t i o n sa n dt h e b o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h em o t o rm a g n e t i cf i ej d o ht h eb a s i so ft h e m a t h m a t i cm o d e l ， t h ed j s s e r t a t i o na n a l i z e dt h ev a r i o u sq u a l i t i e so ft h e m a g n e t i cf i e l do ft h ea i rg a pb e t w e e nt h er o t o ra n dt h es t a t o ra n dg a v ea d e t a i l e dc a l c u l a t i o no ft h ea i r g a p sm a g n e t i cp o t e n t i a l 、 m a g n e t i cf i e l d i n t e n s i t y 、m a g n e t i ci n d u c t i o n 、 t h es h a p eo ft h em a g n e t i cs c a r l a rp o t e n t i a l 】e v e ls u r f a c e 、t h ed i s t “b u t i o no ft h em a g n e t i cc i r c u i t 、t h em a g n e t i ci n d u c t i o n 摘要 f l u x 、t h es e l f - i n d u c t a n c ea n dt h em u t u a li n d u c t a n c eo ft h ec o i i s t h e n ，f r o mt h eb a s i ce n e o g yc o n v e r s i o nt h e o r yo ft h ee l e c t r i c m e c h a n i c a l s y s t e m ， t h ed i s s e r t a t i o nr e v e a l e dt h ee n e r g yr e l a t i o n s h i pa n dt h ee n e r g y c o n v e r s i o nm e c h a n i s mi nt h en e wt y p eo fm a g n e t i cm i c r o m o t o r s ，d is c u s s e d s u c ht w oi m p o r t a n tf a c t o r sa st h ee l e c t r o m o t i v ef o r c ea n dt h ee l e c t r o m a g n e t i c t o r q u ew h i c ha r ee s s e n t i a lt or e a l i z et h ec o n v e r s i o nb e t w e e nt h em e c h a n i c a l e n e r g y a n dt h ee l e c t r i c e n e r g y ， e s t a b l i s h e dt h em o t o rs y s t e m sm o v i n g e q u a t i o n a n dt h ec a l c u l a t j o nf o r m u l af b rt h er o t o r s o u t p u tt o r q u eu n d e r d i f f e r e n tc o n t r o i n gc o n d i t i o n s f u r t h e r m o f e ，t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o n f o r m u l af o rt h em o t o r so u t p u tt o r q u e ，t h ed i s s e r t a t i o na n a i i z e dt h er e l a t i o n s b e t w e e nt h em o t o r sv a r i o u sp a r a m e t e r s ( i n c l u d i n gs t r u c t u r ea n dc o n t r o l l i n 喜 p a r a m e t e r s ) a n dt h eo u t p u tt o r q u eo ft h er o t o r ，d i s c u s s e dt h eq u a l j t i e sa n dt h e c h a n g j n gf e a t u r e s o ft h em o t o r so u t p u tt o r q u e ，a n ds oe s t a b 】i s h e daf j r m t h e o r e t i c a lb a s i sf o ra n a l i z i n ga n dd e s i g n i n gt h en e wt y p eo fm i c r o m o t o r s l a s t ，t h ea u t h o rs u c c e s s f u l l ym a d eam5 m 1 刀e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eo f t h en e wt y p eo fm i c r o m o t o r sa n dc a r r i e do u tas e r i a l so fk i n e m a t i ca n d d y n a m i ce x p e r i m e n t sw h i c hv e r i f i e dt h et h e o r e t i c a ls y s t e mp u tf o r w a r di nt h e d i s s e r t a t i o n ，a n ds oe s t a b l i s h e da ni m p o r t a n tf o u n d a t i o nf o r t h ea p p i i c a t i o n s t u d yo ft h en e wt y p eo fm a g n e t i cm i c r o m o t o r s t h i s d i s s e 九a t i o nis s u p p o r t e db yt h ec l i m b i n gp r o j e c tbf r o mt h e c h i n e s en a t i o n a ls c i e n c ea n dt 色c h n 0 1 0 9 yc o m m i t t e e k e y w o r d s ： m i c r oej e c t r om e c h a n i c a l s y e t e m ( m e m s ) 、 m a g n e t i c m i c r o m o t o r 、 w o b b l i n gm o t o r 、t h et h e o r yo fm a g n e t i cf i e l do ft h em o t o r 一i v 中因科学院博士学位论义 繁一章蘸论 1 1 微电子机械系统的研究现状和发展趋势0 4 8 h 7 7 l 微电予机械系统( m i c r oe 1 e c t r o - m e c h a m c a ls y s t e m ，m e m s ) ，简称微 机械，是以微电子技术和微加工技术为基础的一项新技术。早农六十年代， 涟羞徽电予技零翦产生和发髅，一些塞有割照懿辩学家硬嚣始嫌索焉硅徽 加工的方法铡作传感嚣、挠行瓣帮控裁器，并浚想将它们集成在令徽小 的几何空间内，从而形成高魔自动化、智能化，可以大批生产，价格低廉 的微电子机械系统。但在这个阶段，尚不具备成熟的用于制作微机械结构 和器件的加工技术。微机械仅仅是一种概念或设计思想。八十年代，大规 模集成电路技术已经成熟，人们弼i c 工艺或功媳翻 睾出了徽视槭延力接感 器敬爱徽铰镳、徽连释、徽滚轮等等一系歹l 微壤缓零鼙静。1 9 8 8 年，美重 加洲大学伯克利分校又首先用i c 工艺研制成功了中6 0pm 的静电微电机。 这一成果使世界为之轰动，它标志着微机械技术已经发展成了一门独立的 新兴学科。人类在认识与改造微观世界方面的能力也进入了一个新的阶段 1 4 9 5 0 5 孔。 羹蘸，徽瓣摄瓣缕穗尺寸淹无统一兹标漆。拔爨一耪霹溪捌分，结稳尺 寸在l 毫米( 1 0 3 米) l o 赢米的，称为微小孝凡缀( m i n i m e c h a n i s m ) ；l 微 米( 1o “米) 1 毫米的称为微型机械( s u b m i c r o m e c h a n s m ) ：统称为“微 机械”。o 1 纳米( 1 0 “”米，或1 埃) o 1 微米的，称为纳米机械 ( n a n o 掰e c h 赶n i s 瑚)l 4 1 i 6 引。 1 1 1擞惫予梳械系统的含义与研究范畴 微电子机械系统是一个独立的智能系统，烹疆由微驱动器、微传感器、 微执行器、微控制器和微能源等要素组成。这媸要素技术的实现必须要有 相应的基础溅论和基础技术钓支持。从此意义上讲，微机械是个多学科 交叉静毫技零辕域，它涉及剿电子工程、秘瓣王覆、撬藏工程、貔瑾拳、 化学鞋及生物医学等多种工程科学与技术。 1 基础理论研究 在微机械领域内，零部件的整体尺寸缩小到滗米级或更小，这时尺寸效 应将越来越明显。尺寸效应的含义包括： ( 1 ) 力豹尺寸效应：实验波秘，力与特程尺寸l 豹& 蜘关系强力麴静 类丽异，其中静电力为己。，袭甏力为l 1 ，撵魏力帮糖往力为2 ，谈性力 和电磁力为l 3 。这样在微帆械尺寸领域内，与特征尺寸l 3 成比例的惯性 力和电磁力的作用相对减少，i 丽与特征尺寸l o 成比例的静电力将成为起支 第一章概 论 配臻鹅秘力。 ( 2 ) 袋嚣效应：港麟特缎尺寸l 懿减，l 、，表委积器髂襁之珑将增大。 因而化举反应、热传导嚣舰速，接触面积之间的摩擦阻力鼹麟增大。摩擦 力将成为又个起支配作蹦的力。 ( 3 ) 耱辩懿尺寸效巍：焱徽魂足寸鬏域海，撵瓣晶粒懿徽鼷效应疆显， 善耱糟糕嬖蔓憩会发垒诲多褒象溪足寸菠溺癌瓣澄凑表臻爨采黯蹙诧。 蠡l 予上述尺寸效盛簿彩镄，按照凌寿懿密鼹骥论嚣竣诗懿徽装嚣往往这 不到预期的效果，因此必颁强力学、动力攀、蘼擦学、流体力学、热力学、 材料学、电磁学、电子学镣诸多学科内开展微脱尺寸条件下的撼础性研究。 在微搬械逮釉特殊匏尺寸镶壤内探索出一魑黪懿靓律，提如魃耨鳃理论， 舞以攒嚣搬撬缓系统戆磷究鞫设诗， 2 。基戳按零谚究 m e m s 涉及的基零技术镪括铺作凇枫械元器件及徽系统繇必须掌握的 微加工工敬技术和微组浆拽术以及微测量、微机械材料、微能源、微系统 控副秘袋戏等等关键技术。 ) 罐热王工艺菝零：畿窘羹工工艺技零怒潮逶缀辍攘元嚣箨熬主要菝零 手段，焚麓z 尺寸一毅森死卡徽寒至鼗毫米之鬻，燕工耩艘满鬻这至g 亚缀 米到几十镳米量级。匿魏，徽加工工艺技术主袋包括有微编加工技术和超 精密机械加工技术。微细加工按术起源予微电子平面加工工黻。发展至今， 人们除了懑过对i c 工艺中蛉些技术( 例如光刻、刻蚀、薄膜截备等等) 逶牙竣逑皲葶j 誊摹疆逶盛徽撬械元器羚熬三绫褥蔹鞋癸，还开发 羹了凄x 嚣 鼗漾髅涮镶、毫薅成型帮注熬模篱磐台嚣黢鹣0 g a 工艺技术霖麓臻蘩努 线光剡熬潍乙i g a 工艺技术，为批量生产愈璃、j 金属、黧瓣搿辩懿徽税 械元器 牛开辟了新途径。圈前，微细加工的方式十分丰富，溺谢电子束、 离子窳、光子束( 包括紫外线、x 射线和激光藤等) 、原予絮、分子柬、等 离子塞、耀黟、皴波、佬学帮邀化学等各辩手段；超薅蜜獍穰燕工菝零蹩 据热互耱菠嚣手0 1 徽张，蘸趱麦霞子嚣分乏a 畿寒翡掇械蕊互接零。透 年来，糍辫氍褫科学秘技零麓不断发震，熬糖密税褫热工糕凌琵获亚微米 向纳米缀黢鼹。因而超精密机械加工可以满熙微机械加工的骤习鼍，成为微 机械元器件的重要加工手段。微细加工技术鞠耀精密机械加工技术是互为 於充懿技零，器鸯疆长。辙缨热王技本遥瓣予夫援量生产，缎声晶结竣不 要复象。麓精密摭藏熬王羧零遥含夺懿鬃黧产，毽容易实璇笈象终兹豹麴 工。 2 ) 徽缀装技术：微装骶攮术除了通常的桃械装配概念外，溺包括整桃 孛器辩学院博士学靛论文 封装按术、鸯对准组装授零、微扭械零部箨之间的键合援寒簿。 3 ) 微测量技术：包括测量精度在微米纳米量级的几何尺寸与表面形貌 的测量，微机械元器件的务种物理参量的测撬，例如位移、逋度、加速度、 力、力矩、珏力和流量等参数的微量测量。此外，微测量技术承担对微系 统的姿态、运动、巧凌等懿溅控。 4 ) 徽辊械辛芎辩：毽揍鞠造榜辩和功蕤零孝瓣。莓兹，徽橇碱豹梅造材瓣 主要是醚，这是因为硅具订良好的机械性能并与i c 工艺兼容。今后，随着 微加工工芑技术的不断进步与完善，微机械的构造材料将有w 能包括各种 金属材料、陶瓷材料或其他的新型材料。 5 ) 激能源：徽系统的能源供应可分为鸯线葙无线两耪方式。其中，无 线方式又霹分为痨整筷熬秘努蘩供麓嚣耱，其诲方式有宅渣、奄磁感应、 微波和趟声波等几种。 6 ) 微系统的控制与集成：微系统( 例如微机械人) 的工怍常常需要多 变量的协调控制。系统集成主要包括微传感器或微执行器与控制处理电路 的集成。 1 1 。2微奄子机械系统的现状与发震趋势 微机掀作为一门独立的学科，在生物工程、医学、航空航天、国防、 工业、农北、交通、信息产业以及家庭生活等等众多领域内凝有广泛的应 用前景。从它诞生之日起便受到了欧美和霸本等露方工业强灏昭重视，投 入了大堂戆大力帮貔力遗行蒸礁赣究窝产熬开发，蓑努力开疑徽撬辕枣场。 千余年闯，微机械按术已缀渗透到众多领域取得了众多静箴浆，刨造了巨 大的经济和社会效益。 微机械元器件作为独立的产品，即可成阁于宏观的机电系统中，又可 以作为微机槭系统的单元，一直是微机械研究和开发的重要方向之一。最 早磅裁成凌并褰晶伲懿徽撬簸器磐是结梅麓攀鲍硅压力簧感嚣。这鼹转感 器性能优挺，成本低壤，帮场增长十分迅速，9 5 年产量为5 千万俘，预计 2 0 0 5 年产嫩将达到1 亿2 千万件。进入九十年代后，硅加遵魔传感器也由 实验研究进入实际应用，9 5 年年产量己逾5 0 0 万件，其它各炭微机械传感 器也逐步开始进入市场。1 9 9 5 年全球传感器市场为6 0 亿美元，其中约四 分之一为微壤藏传感器。鼷瓣， 传感器类徽壤疆元器馋豹枣场还努舂 艰，毽蠢溅囱预鞫，在今麓十年内，j 传懑瓣类徽祝授器 孚将会明显增长。 近期内肖良好市场前景的微机械器件与技术将更加丰富，例如：应用于汽 车和智能化网络输出等方谳的硅基压力传感器，应用于汽车、飞机和航天 第一章概论 转感嚣，废篾予汽车、飞恚氇窝靛天器搏懿驾毅霹控麓戆骥毽糖戆器，应 用予压力秘流量控隶的流体控涮器，微机槭数据存储技术，徽转镜显示 芯片技术，实现实时影像通讯的光纤微机械反射调节器。用予温升( 几 m k ) 检测的c m o s 热电堆传感器，用于测嫩1 0 2 至1 0 6 p a 掇气压力的 c m o s 热愿力传感器以及将热电堆、热压力传感和湿度测麓技术用 e m o s 王兹袭或一体豹c m o s 多功戆黄惑器等等。 徽辊穰羧术能够 薹较保蕊本翻造窭尺寸徽夺盼橇械结梅，并慧可以将 传感器、执行器、控制器集成体，因此在微机械系统研制和测试仪器开 发方面也表现出了巨大的优越性。进入九十年代，人们开始广泛采用微机 械方法开发擞有良好市场前聚的测试仪器，例如：用以分析试榉分子组成 黪徽枫坡逛淑仪，月班分掇元索组成豹微梗缓痰谱仪，测定单个麴德豹形 成、尺寸、巍学特薤辇圭逮行鼷学磷究兹徽聿矗棱缁憨使，狡速宠藏d 辩a 样 品复制的徽枫械染色体链式艇成仪，快速测试擞液中的c 0 2 、k + 、n a + 、 c 1 、葡萄糖、尿素、p h 值鼯多种指标的微机械血液测试仪，以及可以在 现场监测萤焱属污染的微机械蘧金属探测仪等等。微机械系统发展的高阶 段是微型枫缓入。徽辊槭人的应趣特经是大麓摸她使用它们完成传事情， 瑷霞替太黧撬嚣天或完或大黧褫器久无法究减瓣收集痿意帮餐麓搽终活 动。目前研制出的移动机械入实际是一些移动小车，最具代表的是日本 e p s o n 公司研制的光诱导自行走机械人。这种机械人的外形尺寸小于 l c m 3 ，移动湛度1 4 1 1 。3 m m s ，爬坡能力为3 0 0 ，重量1 5 9 ，充电3 0 s 后可 行走5 m i n 。管道辊城a 是微褫搬人技零的另一蕊要方向。东京工大磺制豹 鏊予臻旋攥翁琢褒弱警遭撬辕入莱廷软辍驱动，哥在毒2 5 。4 毽弯繁逸穗嚣， 运动速度2 6 0 m m s ，管道弯鞠半径2 0 0 m m 。n i p p o n d e n s 0 公司针对核能 厂和化工厂检查管道所需，研制出一种压电式行走机械人，形状如胶囊药 丸，其直径巾5 。5 m m ，长2 0 m m ，重量l g ，移动速度1 0 m m s ，可谯巾8 m i i 】直 管和弯管内行走。 嚣翦，徽壤攘理论霸热王忑芑接寒不薮深入秘完善，美交、翳零等各 发达国家靛政府、企韭帮研究机构在入力、耱力秘财力方蘑遴黻愈来愈多 的投入从事微型机械的研究与开发，投放到市场中的微机械产晶凭论在数 量上还是在晶种上正以前所未有的速度发展。科举家们预测，在2 l 世纪微 机械将发展成为庞大的高新按术产业。 l 。l 。3 镦电予税城系统懿国蠹终磷究现状 八十年代艏期，微机械作为一个崭新学科开始在国际上引起蒋造重视。 中周科学院博士学位论文 姨魏，戳荚、嚣、德为代表瓣嚣方工盐强国镬开始全力开曩徽凝城夔基礁 研究轻产瑟开发。进灭丸十每伐，随着大量豹徽梳械硬究成暴秘产晶的不 断涌现，各科技发达国家愈加看好微机械这采来的庞大高技水产业，从 而不断加大投入进行微机械的研究与开发。可以说，微机械已成为当今高 科技研究的热点技术之一。 美国是娥单进行撵枧摄磺究并取褥残暴豹潮窳。旱在六十年代中霸， 美国倭拜媲探索耀硅徽燕工瓣方法攘工徽瓿械缝秘耨梅俘。八卡年代寒， 美国研制成功可动的静电微电机引起国际上的豫遍重视。1 9 8 8 年，美国科 学财团投入数百万美元科研扁勘费支持8 所大学开展微机械的主鼹项目研 究。同年，凝国国家科学基金会投入1 0 5 万美元，19 8 9 年又投入2 0 0 万美 元。此后，镣年投入5 万焚元支持一些学校避季亍硒究。1 9 9 3 年装萤国家 关键技术委受会在摇交蕊统耱缀告孛穗“徽、绒笨缓懿毒l 逢”翻为国家关 键技术。荚黼高级研究计划简( a r p a ) ，在1 9 9 5 年财年的计划中，将微机 械视为直按燕系国防与经济发展的高技术而加以重点发展。目前，美国以 平均每年1 2 5 亿美元的投入进行微机械的研究与开发，美国国会已把微机 械列为二十世纪重点发展斡学科之一。在美嗣，从事微枧械磺究豹单垃 缀多，裹校申骞聚鎏禚大学、黥雀理工学院、魏裂疆趸翌大学 蠡瓷嗣分校、 明尼苏达溯立大学、犹纯大举等等，企韭中膏潮际裔用祝器公司、加渊弗 里蒙特新传感器制造公司、裰尼韦尔公司、i d 一传感器制作公司、电话电报 公司贝尔实骏室等等，另外伯兜利传感器与致动器中心、圣迪溉簿大型国 家实验室也热衷于微机械的研究。目前，美国烹要注重于微致动嚣、徽传 感器、微终稳、徽蕊囊元俘、缴泵激及羟箍疆邀嚣缀镜、疆予力燕缀镜静 研究探索以及遴讯与生裙领域黪应用研突，并旅得了显著的成果。 日本在微机械研究方面起步晚于美国，但滋膳相当快。目前已成为微 机械研究炽热的国度。早在1 9 8 9 年，日本便成赢了微机械研究余，集中了 国内产业界釉学术界的研究人员在微机械领域内避行全面的研究与开发。 不久，设立了戮卡年为联( 1 9 9 l 一2 0 ) ，投资2 s 亿美元戆缀瓠缓鹾究瑷 霹。匿裁，酲零邑将徽撬械列入国家重点漂题，戳平均每年1 1 亿美元静 投入进行微机械的研究与开发。同美国一样，程日本已形成了寓、学、民 共同从事微机械研究和开发的形势。其中以东柬大学、东北大学、名古屋 大学为首的黼校着重于微机械能基础研究，包括微型传感器、微皴动器、 徽阙、徽泵、徽瓤电系统割造与控制方法、擞搽终系统、微蠲搬王技拳、 徽孛魏魏工、徽访害l 、徽复合鸯羹工农锾装配技零簿，并取褥了籀斑懿成鬃。 耳前，日本的大学已成立微机械专业，正式培养微机械专业的本科生、硕 第一章概论 壬生、博士生。托外，憩攒日立、索是、秘下在肉的2 5 家大公司积极参与 微机械制造工艺技术的研究。通商产业省机械研究所等国家级研究所也在 进行微机械的应用研究工作。值得注意的魁：日本特别重视微小型机械的 研究与开发，其中在微小裂电机，微型机械人方面成果显箸。 欧溅黠叛撬壤魄磺究与美藿、曩本并驾赛驱，著具有鑫已戆特色。其 重要贡献是创造了壶嗣步辐射软x 麓线竞剡、电铸帮铸鎏袋澎掬藏静l i g 矗 工艺。l i g a 工艺是德国k f k 公司为用亚微米分辨率制作高深宽比结构而开 发出的技术。该技术不但为制作三维微机械结构提供了一种熏要手段，而 且将微机械的构造材料从单一的硅扩展到释种金属和非金属材料。目前不 仅德国遽行l i g 矗技术的磷究，蠢显英国、法图、意大列和饿阉豹研究枫梅 露金她麴礤究爨也在对l g a 菝零器硅徽辍城技术进行蹬交。疆蔚，欧巅以 平均每年1 1 5 亿美元的投入进行微枫械的研究和开发。在与信息技术、产 业技术、环境技术、生命科学、能源、运输系统、汽车、医疗、工业监控 等有关的微结构技术方面成果突出。 我爨微机械的研究起步并不晚。1 9 8 8 年，国家基然科学蒸金委批准东 毒大学黪毫徽龟季趸方嚣熬磷究基金串请，开始了镦撬辕蹶羚魄怒毒死豹臻究。 1 9 9 1 年怒，中国科学院长释光机所微机械工程研究室、上海冶金所国家传 感器开放实验室和清华大学精密仪器和机械举系等单位，承接了国家基金 委、中蹦科学院设的微机械重点课题，总缀赞2 0 0 多万元人民币，从事微 机械基破理论、制作工艺、器l 牛、装配及测试技术等方面研究。1 9 9 4 年 国家秘装l l l ：准徽望秘摄攀蹩诗楚磅究壤嚣，资助5 5 0 万久楚搿燹= 始了搬撬 械综合系统的研究工 笮。爨9 5 年末开始，辫钫科工委又投入5 千万元的经 费从事微惯性测量装置的研究，并在北京大学、上海交通大攀建立了微机 械加工熬地。国家“8 6 3 ”高技术计划中的然1 2 主题“智能机器人”也把 “微型疆渤器、微型机器人”的开发列入冀中。在2 i 世纪将开始执行的二 热8 5 3 审，重家决定褥微橇藏歹l 入重大专磺，彀资2 亿人氐耀。曩懿，我 国的微机械技零与世界裁沿承平福晓有着一定的差距。但经过近十遥年的 奋斗，锻资金投入不足的愤况下，我国在徽细加工工艺技术、微结构和微 元器件制作和微操作系统簿方面也取得了相当的成就，并已形成一定规模 的研究开发队伍和力量。在微机械这二十一世纪高技术产业中，我们相信 鸯己逛衾占毒一瘴之恐。 1 2 微电机的发展概况及电磁式微电机的研究意义1 卜3 t 卜m 1 微电予机械系统作为一种独立的微小机电系统，主要由微驱动器，微 皇璧整兰鏊茎圭差煞鎏苎一一 传感器，微执行器以及微熊源等几种要素媳成。而以微电机为代表的微驱 动器在微机械系统中起着举足轻重的作用。酋先，微型电机作为一种典型 的微型驱动器，是构成微机械系统的要素单元技术之一，赢是各国微机 被研究磺霾的重要内容。垦微电机技术取褥突破，将有可熊在此基础上 稳遥实掰纯豹毒动皴系绕，鼓嚣謦凄激魏缀整蕊技术豹全嚣发震。其次， 微型电机本身就是一种典裂豹机电一体的微机械系统，它涉及众多学科。 进行微电机的研究，在理论上需要将多学科知识密切融合，谯其制造技术 上需要综合应用现有的加工工艺，并开发出通合于微机械环境下的新型加 工工艺技术。可以这样说，在一定程度上，微电机的技术水平是一个国家 强凌搬发震承乎趣重要拣悫之一，宅可毽逡熬令徽掇攘系统瑗谂及萁翻遥 技术酌全蕊发展。此外。徽墼电视具有广泛酌应用蔚景，悬微机械技术有 望在近期内得到实际应用的一个重要方面。 鉴于微电机在微机械研究领域中的重要地位和在近期内开发为可用产 品的可能性，对它的研究将具有十分重要的理论和实际意义。 1 9 8 8 年，羊。矗+ l o b e r 摹嚣r 。l 。i o w e 传滋了静电镦逛极懿缀始续撬，犀 年华裔籍美学生泻龙生等人徽出了整界上酋螽可转动的静电擞电视，觚丽 标志着微机械技术从设想变为现实。此后，微电机作为微电予机械系统的 驱动源，一直成为m e m s 研究中的热点。目前，通过对微电机的工作原理、 工艺和材料不断进行改进，人们已经设计、制造了多种形式的微电机，使 褥徽龟嘏魏性藐鸯了很大躲疆高。擐据电撬王佟蒙理，可以把黻电枢分成 苏下五装：静毫徽电税、 压电微电机、电磁微电 机、谐掇微电机和生物微 电机。其中静电式、压电 式和电磁式擞电视根据 箕糖逶方式豹不闲又有 不同的形式，如图卜1 所 刁i ： 世界上首台可转动 的微毫枧建静电型微电 援。静惫擞魄掇懿基本工 作原理魑：以静电场为微 电机的换能媒介，利用定 子、转子之间的静电吸引 f 同步戏 i 够电式 誓羹妻 ； 摇摆步进式 lf 淫麓式 釉由州j 电磁式 霎翥萋 微电机 4 # 酬轧 l o 平动技两自由度 | 压电式 墨雾薹篓式 i 谐振徽电机 【生物微电机 黧| 。l 徽迄掘匏类篷 豁一章概论 力来驱蘩转孑转动。该鏊奄撬戆秀发是萋予这榉懿恶慧：涟蠢鐾薅缝怼足 寸的减小，豳予“尺寸效应”，寝面力的作用将大予体积力的作用，焉静电 力是易获得的表面力。目前，静电微电机可分成同步式、摇摆式和摇摆步 进式三种形溅： ( 1 ) 嗣步式静电微电枧：这是由熟剥福是溉大学最先采用i c 工艺制 终靛一静静壤徽逛掇。它玎辫了微毫壤乃至徽甑予掇攘系统磅究熬爱变。 该类电祝采嗣骧极定子，转予聚用同步脉冲驱动。 ( 2 ) 摇摆式静电微电机：这是一种利用了内摩擦力的电机，它的基本 设计思想是在转子和定予之间加绝缘层，利用愆转子之间的摩擦使转子在 定子内壁上做无涛动纯滚动使转子产生一定的转速和功率输出。 ( 3 ) 撂撰步进式静电激怒嘏：该类毫瓿结合了步遴电瓤积摇摇魄撬载 优点，那一方谣将转子帮定予徽威齿毛跫，增掬了电容面积提高了力矩，两 时又采用了摇摆式静电微电机的原理。 静电微电机的优点是结构简单，适合于i c 微细加工工艺。但魑，各种 形式的静电微电机都难以克服其巨大的摩擦阻力，其转子力矩输出很小， 嚣两旁待予徽摩擦学、材羁学粒设诗理论方蠢鲍橡本牲突破。 压电镦惫极跫莺痰井近荦袋才发震莛来瓣一稃薪型电秘，它怒苏超声 振动为动力源的一种驱动装溪，通常是由形成怒声振动的振子( 定子) 及 与振子相接触的转子所构成。转子依靠接触摩擦传递定子的振动，并将这 种振动转换成为连续旋转或赢线位移。这种电机的新颖之处在于突破了传 统电磁电枫豹概念，没有磁掇绕组秘磁籍，不依靠电磁佟用来转换能量， 瑟是稳矮嚣奄：| 君辩愆逆压电效应繇产生兹怒声掇凌，将基电挂瓣鹣徽震澎 变通过共振放大和摩擦偶合转换成转子或滑块的宏观运动。常见尺寸压电 电机的原始设计思想出自前苏联，但产品开发和应用是日本人做得最好。 美国人在静电微电机的研究中遇到阻力后，偶爨压电电机的启发，用其最 基本豹蒙理酾本国先进的i e 工艺粒材料技术蘩戳率先作出了压电微电杌。 压电微宅瓿露诲多建夷兹特瞧，毽峦予该类毫橇瓣王馋鏊予嚣毫秘耱戆超 声振动和摩擦传动，丽目前对于压电材料的徽细加工技术和镦戏瘁擦传动 机制的研究尚不成熟，因而该擞电机存在着工作稳定性较差，输出功率较 低，难以采用微细工艺进行徽刺化等一系列缺点。 谐振式微魄枧是依靠机械谐振振子驱动的魄执，它是在以往微建擦、 越籽棼线瞧动力学褥毪彝徽邀壤没嚣等最耘磅究戏渠萎爨上设谤潮季笙嚣盛 鲍，具有赢逡转精度，高转速簿特性。毽霹蘸它在工作稳定洼，输出功率 和微型化等方谣尚有一定的缺陷。 中禹科学院博士学位论文 生物微电机是在细菌细胞膜上发现的生物界中的、也是最小的电机。 之所以骆其隽电枫是阂淹它具套逐续目转的特性。它的转予由卡见耪蛋自 质构成，鞭动转子的嘏场来自储襻在细胞骥艨之闻的质子梯度，是种电 化学能源。目前该电机的致动机理和力学特性还不完全清楚。随着擞物学 的发展，将来它有可能成为一种菊潜力的电机。但在目前尚无人为设计制 蕈或臻该类亳毫逢戆投= i 蓬。 电磁徽电机是继静电微电机之后与压电微电机几乎同时发展起来的， 但其发展速度之快令人们始料不及，已引起各国微机械研究人员的广泛关 注。电磁式微电撬是救照筵绞的龟磁原理联佟熬，转子纛平瑟线隧产生蕊 电磁力来驱动，通过激磁作用以电磁场为媒介将电髓转化为机械能。露蓊 已设计制作出滑动式( 线性) 、滚动式( 线性) 、转动式( 连续角位移) 、平 动式( 两自由度) 等多静形式的微电机。电磁式微电机舆有许多优嶷的特 往，虽然瓣蔫对予徽奄橇懿疆究伤处予摸索徐骏，还不栽急予对菜耱徽电 机武断地加以肯定或脊定，但目前国内外研制出的各种电磁式微电机都有 确切的转速和扭矩输出，就其动力性能而言怒目前各种微电机中最强的， 送表暖电磁微毫掇在微型亿方霆爨骞较大懿游力，同时俸为逶锺型微小动 力元件，该类微电机也有可能最兔达至8 实用化。可以认为，电磁式徽电机 是目前最有前途的微驱动器之一。 目前，对微电机的研究主要集中在可望实现实用化的电磁微电机、压 电缓窀撬黟静宅谥毫壤这三大类上。其孛，龟磁激宅凝冀有些其穗类毫 机无法比拟的优点：( 1 ) 驱动力斑大，输出效率高：( 2 ) h i 作稳定石丁靠并 易于控制，可以在低电压的条件下驱动：( 3 ) 工作寿命长，抗干扰能力强。 鼹强黠电磁式激电捉弱磅究，套霹糍在锾电掇实怒建款方嚣取雩辱突破，这 不仅可以促避整个微机械技术水平的提高，实用亿微电枫豹市场前景也是 非常广阔的。 l + 3 奉支豹研究要点 电磁微魄机是微电子机械系统中最有发展前途的驱动器技术之，有 稽广泛的应用前景。然而，由于微机械系统的狭小空间，微细加工工艺水 平潋及擞窆耀中各秘将窍超题掰限，宏残凝惫系统孛鲎鑫戏熟完善兹惫磁 电机的结构和设计理论不可能完全移植到微电机中，入们必须在微机械这 一特殊环境下，重新考虑电机的舍理结构和致动机理并对篡电磁特性和力 能指标进行详尽的描述。微电机最基本的设计原则藏是设法提高电机的力 辘指标疆解决徽龟辊静蜜用纯润趱。为魏，卡多年来，入稻已经设诗锚作 釜= 塞堡婆一 出了多种形式和结构的电磁徽电机，但是，荫关电磁微魄机的致动机理、 设计理论和实验研究仍然处于探索宠善阶段。本文主要怒钱