摘 要

本文介绍了微尺寸静电马达的技术要求和制造工艺，详细讲述了微尺寸静电马达的工作原理、分类及各自的特点，综述了其研究发展的历程和国内外研究现状，并提出了微尺寸静电马达的未来展望。

微尺寸静电马达是微机电中的典型运动机械。本文根据微尺寸静电马达工作原理，设计其相应的结构，利用微加工工艺进行三种结构不同的微尺寸静电马达的设计，并设计出相应的微加工工艺路线。

关键词：微机电系统；微机电系统制造工艺；微尺寸静电马达

Abstract

This paper introduces the technical requirements and manufacturing process of micro-sized electrostatic motors, describes the working principle, classification and characteristics of micro-sized electrostatic motor, summarizes the development process of its research and the current research status at home and abroad, and puts forward the future prospect of micro-size electrostatic motor.

Micro electrostatic motor is a typical moving mechanism in MEMS. In this paper, according to the working principle of micro-size electrostatic motor, the corresponding structure is designed, and three different structural electrostatic motors are designed by using micro-machining process, and the corresponding micro-machining process route is design.

Key Words: MEMS system; Manufacturing process of MEMS; Micro-size electrostatic motor

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 论文研究的目的和意义 1

1.2 论文的研究背景 1

1.3 论文的主要研究内容 3

第2章 微尺寸静电马达的技术要求 4

2.1 微尺寸静电马达的尺寸要求 4

2.2 微尺寸静电马达的备选材料 4

第3章 微尺寸静电马达的制造工艺 5

3.1 光刻工艺 5

3.2 体加工工艺 5

3.3 表面加工工艺 6

第4章 微尺寸静电马达的原理分析 8

4.1 微尺寸静电马达的运行原理 8

4.1.1 介电驰豫原理 8

4.1.2 电容可变原理 8

4.2 微尺寸静电马达的结构设计 9

4.1.1 直线型微尺寸静电马达 9

4.1.2 旋转型微尺寸静电马达 9

第5章 微尺寸静电马达的工艺流程 10

5.1 简单可动转子型微尺寸静电马达 10

5.1.1 简单可动转子型微尺寸静电马达的结构 10

5.1.2 简单可动转子型微尺寸静电马达的微加工工艺路线 10

5.1.3 简单可动转子型微尺寸静电马达的优缺点 13

5.2 点接触-减小摩擦型微尺寸静电马达 14

5.2.1点接触-减小摩擦型微尺寸静电马达的结构 14

5.2.2点接触-减小摩擦型微尺寸静电马达的微加工工艺路线 15

5.2.3点接触-减小摩擦型微尺寸静电马达的优缺点 17

5.3 带有轴承的悬转子型微尺寸静电马达 18

5.3.1带有轴承的悬转子型微尺寸静电马达的结构 18

5.3.2带有轴承的悬转子型微尺寸静电马达的微加工工艺路线 18

5.3.3带有轴承的悬转子型微尺寸静电马达的优缺点 22

第6章 总结 24

6.1 论文总结 24

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪 论

1.1 论文研究的目的和意义

微机电系统(Micro-Electrical-Mechanical Systems,缩写为MEMS)是集物理、化学和生物等的传感器、执行器与信息处理和存储为一体的微型集成系统，泛指那些采用大批量微加工方法制造的微小型器件和集成系统。从广义上讲，MEMS是集微机械、传感器、执行器、电源、电路、信号处理、智能控制等于一体的系统，通过感知运动、光、电、声、热、磁等自然界信号，将这些信号转换成可以被广泛的电子系统识别和处理的电信号，从而将外部世界与电子世界有机地联系起来，它既具有强大的系统性和拓展性，又具有体积小、重量轻、能耗低、性能优异等特点^[1]。MEMS侧重于超精密机械加工，涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理、化学、机械学的各分支^[2]。MEMS是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术^[3]。

八十年代，MEMS的兴起引起人们开发微型马达的热潮。微马达是MEMS重要的动力构件。目前主要研究的微马达有电磁微马达、静电微马达、压电微马达、形状记忆合金马达等。常规尺寸的机械系统常采用电磁马达。然而电磁马达的质量比重比较大，需要较重的铁心及线圈，需要三维加工，结构较复杂，不利于小型化，在较小尺寸的应用中会带来一些问题。Barett等人指出，电磁马达制作的执行器要求非常精确的传输系统扩大输出转矩，容易产生噪声^[4]。静电马达结构简单，采用薄的平面电极产生静电场，静电力与尺寸的平方成反比，随着尺寸的减小，单位体积的表面力增加^[5]。这些特点使得静电马达非常适于小型化，在微领域研究中受到广泛地关注。微静电马达利用两个极板间电荷分布产生的引力和斥力，把电能转换成机械能。微静电马达按电荷传递方式不同，分为接触型、电火花型、电晕型、驻极体型等；按照运行原理不同可分为感应型和变电容型；变电容马达包括顶驱动型、侧驱动型、摆动型和中心型等；在交流运行的情况下，根据马达旋转速度与施加电压的周期关系又可将马达分为同步和异步^[6-7]。马达定子为静止电极，转子为移动电极。除了旋转式微型马达外，微型元件的线性马达也是重要的微机电系统电力传输装置^[8]。

根据本课题所设计的三种微尺寸静电马达，由简单到复杂，逐步优化性能，主要解决微静电马达内摩擦力大、转子落到衬底表面、高速旋转时转子晃动较大等问题。

1.2 论文的研究背景

静电马达具有漫长的发展历史。在1742年，即在电磁马达诞生100多年前，Andrew Gordan发明了利用同号电荷相排斥、异号电荷相吸引原理的电铃和电弹力车。这可以看成是最早利用静电驱动的例子^[9]。之后很长一段时间，静电马达的研究进展缓慢。到二十世纪八十年代，MEMS的兴起引起人们开发微型马达的热潮，静电马达的研究再次兴起。美国、英国、德国等欧美国家及亚洲的日本、中国等都大力开展微静电马达的研发。其中，美国，日本，德国较为先进。加工工艺上，美国以硅表面超微加工技术为代表，利用牺牲层技术与集成电路工艺相结合的加工方法。日本主要采用传统机械加工手段；德国以LIGA(Lithograpie，Galvanoformung，Abformung光刻、电铸、塑铸)技术为代表，通过电铸成型和铸塑形成深层微结构^[9]。这种方法可以对多种金属以及陶瓷进行三维微细加工。结构上，美国、德国等国家以旋转型电机为主，日本则以直线电机为主。

（1）国外研究现状