毫米級電磁微電機的製作方法
2023-09-24 01:04:10
專利名稱：毫米級電磁微電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種毫米級的電磁型微電機，屬於電機、微機械技術領域。
所謂毫米級微電機，是指外形尺寸為毫米數量級或更小的電機(又稱微馬達)，它是採用現代微電子製造技術中的微細加工技術製造的。微電機作為典型的MEMS和微機械的核心要素技術，一直是微機械研究的熱點。目前已知的毫米級微電機，有採用靜電型的，如美國加利福尼亞大學製成的是一種同步式的靜電型微電機，它採用12個駐極定子，轉子由4極三列同步脈衝驅動。由於靜電型微電機的摩擦力很大，需要很高的驅動電壓(60～100V)才能使電機轉動，且轉速不高。日本NEC公司仿照上述原理用單晶矽作出了轉子直徑為50μm的靜電微馬達，但在性能上沒有多大提高。MEMS雜誌報導德國B.Wagner等人用IC工藝製造的電磁型微電機，其轉子特徵尺寸在1mm上下，由稀土永磁材料製成，其定子是用在矽基底上沉澱的金製作的平面線圈，線圈允許的最大電流為650mA，該旋轉電機的最大力矩為100nNm，最高轉速2000rpm。但目前這類旋轉式微電機的結構，其轉子均位於定子線圈中間，即轉子位於平面線圈繞組的中心。轉子的磁化方向為水平方向，當基片上平面定子繞組通電時，其對應線圈內側靠近轉子的導線所形成的磁場也為水平磁化。由於轉子位於定子繞組中間，儘管轉子的尺寸可能做得較小，但電機總的外形尺寸並沒有縮小。理論證明，電機的轉矩與磁性轉子的體積成正比。由於同樣外形尺寸的條件下，此類電機的轉子較小，所以需要通以較大的電流才能得到1μNm左右的轉矩。即電機的轉動力矩相對較小。
本發明的任務是提供一種毫米級的電磁型微電機，它能在有限的尺寸條件下，輸出足夠大的轉動力矩，即輸出功率大、效率高、驅動電壓低。
本發明採用的是電磁轉換型的微電機。與現有的電磁型微電機的結構不同的是，本發明的微電機的磁性轉子位於平面定子線圈上方，在不擴大電機總的外形尺寸的前提下，其磁性轉子的直徑可以做得較大。磁性轉子的磁化方向為垂直方向。當基片平面上定子繞組通電時，其形成的磁場也為垂直磁化。本發明的電磁型微電機，採用現代微電子製造技術中的微細加工方法，在直徑2mm、厚度0.4mm的陶瓷基片上，製備6隻多層平面繞組線圈及3隻薄膜磁阻傳感器作為微電機的定子。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，經專用充磁設備對其充磁，使之具有特殊的磁路，作為轉子。通過磁阻傳感器的信號測定轉子磁極位置以決定定子繞組的通電次序和方向，並控制轉子的正反向轉動、以及速度調節。為減少摩擦損耗及噪聲，簡化製造工藝，本發明採用無刷電機結構型式，即以電子換向代替一般直流電機的電刷換向。由於本發明微電機的轉子直徑相對較大，因此具有較大的轉動力矩及較高效率。
本發明毫米級電磁微電機由於上述結構的改進，與現有技術相比，具有輸出功率大、效率高，轉速穩定可調、驅動電壓低、壽命長等優點，是一種具有實用價值的微電機。該微電機與其他微電子機械結合可製成微型機器人，將來可進入人體施行醫療手術；與集成電路結合製成的特種器件，在光通信、計算機、航空航天、精密電子儀器等高科技術領域中都具有重要的應用價值。
本發明毫米級電磁型微電機與美、德等國學者研製的同類微電機的基本性能比較如下表
圖1是本發明毫米級電磁型微電機的整體結構裝配圖。
圖2是本發明毫米級電磁型微電機的定子結構。
圖3是本發明毫米級電磁型微電機的磁性轉子結構。
圖4是圖3所示磁性轉子上的磁化方向示意圖。
圖5是本發明電磁微電機的定轉子之間磁力作用示意圖。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。
本發明毫米級電磁微電機採用製備集成電路的微細加工方法製成。該電機由平面微型繞組線圈、磁阻傳感器、磁性轉子及控制電路等組成。圖1是該微電機的整體裝配結構圖。它由經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、氧化鋁絕緣保護層4、磁性轉子1，以及直徑為0.2mm的主軸6組成。在陶瓷基片3上運用濺射、光刻、刻蝕方法製備磁阻傳感器2的元件，然後濺射一層氧化鋁絕緣保護層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。運用濺射、光刻、電鍍、濺射絕緣層等方法製備6隻多層平面繞組線圈5，3隻磁阻傳感器2則沿圓周方向對稱地安置在平面繞組線圈5的間隔內。磁性轉子1位於平面繞組線圈5上部，其直徑與作為定子的平面繞組線圈5的直徑相同。磁性轉子1由稀土永磁材料和鎳鐵軟磁材料兩層複合薄膜製成，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通磁路，具有提高輸出功率的作用。為降低主軸6和磁性轉子1之間的摩擦阻力和提高轉子壽命，在磁性轉子1的中心鑲有寶石軸承8。磁性轉子1由專用充磁機進行充磁，使之具有特殊的磁路結構。通過定子上的磁阻傳感器2，測定磁性轉子1的磁極位置，來決定定子繞組的通電次序和方向，控制轉子正反向轉動和調速。
本發明毫米級電磁型微電機的磁性轉子1的磁化方向垂直於膜面，在轉子內共有8隻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隻線圈，其中，對向的兩隻為一組。當定子線圈通電時，由於轉子有磁場存在，則磁場內通電導線將受到作用力，該作用力將使轉子轉動。圖5所示為定轉子間的磁力作用示意。在圖5上，轉子和定子線圈示意圖重合在一起，並示出了轉子的磁化方向9和定子線圈內電流的方向10，以及產生的作用力的方向11(圖中只畫出了一組定子線圈的電流和受力的方向)。由於線圈作用力的方向相同，所以可驅使轉子轉動。由於本發明微電機的磁性轉子1位於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，在電機總的外形尺寸不擴大的前提下，與轉子位於定子線圈中間的同類電機相比，本發明的轉子直徑較大，從而具有較大的轉動力矩和較高的效率。
權利要求
1.一種毫米級電磁微電機，主要由平面微型繞組線圈、磁阻傳感器、磁性轉子及控制電路組成，其特徵在於磁性轉子(1)位於平面繞組線圈(5)上部，且該磁性轉子(1)的直徑與平面繞組線圈(5)的直徑相同。
2.根據權利要求1所述的毫米級電磁型微電機，其特徵在於在由陶瓷基片(3)上形成的平面繞組線圈(5)的間隔裡，沿圓周方向還對稱地排列著微型磁阻傳感器(2)。
3.根據權利要求1所述的毫米級電磁微電機，其特徵在於磁性轉子(1)是一圓形薄膜，由稀土永磁材料和鎳鐵軟磁材料兩層複合而成。
4.根據權利要求1所述的毫米級電磁微電機，其特徵在於；磁性轉子(1)與主軸(6)之間鑲裝有寶石軸承(8)。
全文摘要
本發明公開了一種毫米級的電磁型微電機，它由平面微型繞組線圈(定子)、磁阻傳感器、磁性轉子及控制電路等組成。其磁性轉子(1)由稀土永磁和鎳鐵軟磁材料複合薄膜製成，位於平面繞組線圈(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，該微電機的轉子尺寸較大，從而轉動力矩也較大。本發明毫米級電磁微電機與現有技術相比，具有輸出功率大、效率高、驅動電壓低等優點，在微型機器人、光通信、航空航天等高科技領域有重要實用價值。
文檔編號H02K29/00GK1135677SQ95111629
公開日1996年11月13日 申請日期1995年5月8日 優先權日1995年5月8日
發明者張壽柏, 張琛, 趙小林, 蔡炳初, 宋柏泉 申請人:上海交通大學