1、目的及意义

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。

2、国内外研究现状

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

美国是研究MEMS最早的国家。1988年，加利福尼亚大学的研究员开发出比人发直径还小并能动作的超微静电马达，引起人们开发微静电马达的热潮[13]。由于静电力与尺寸的平方成反比，随着电机体积的减小和静电力增加，各国学者致力于超微静电马达的研发 1994年美国学者Deng，k等利用掺杂磷和多晶硅制成的凸极多晶硅表面微晃动马达[10]，转子半径为75微米，最小运转电压14V，最大转速可达35 r／min。日本学者Matsuzaki，K．等研制了毫米尺寸马达，转子半径300微米。这些马达的输出转矩微小，驱动电压较大，工作不稳定，寿命短。这些因素极大的影响着马达性能，使其无法满足实用化要求。为改善马达性能，各国学者在马达结构方面做了大量的研究。为增大推力和输出转矩，日本学者Yamamoto，A．等提出多层叠式马达结构。国学者Beerschwinger．U．等提出双定子结构的微马达，将转子置于两定子之间以平衡轴向力，有效地减小了将转子推向定子电极或衬底上的轴向力[11-12]，解决转子稳定运行问题。为减小摩擦和磨损，提高马达寿命，学者们提出悬浮转子的静电马达，日本学者还采用在定子、动子薄膜间分散的放置直径为几微米的玻璃珠减小摩擦的方法。为减小高驱动电压引起的转矩纹波，日本学者Yamamoto，A．等借鉴电磁电机斜槽的 思想，提出倾斜电极及V型电极设计思想，并制作了多个倾斜电极的静电马达[13-15]。

在理论研究上国外也取得了一定的研究成果，但大多集中在电场计算数值方法的改进上，对马达优化设计方面的较少。比利时学者Johansson，T．B．等将三维有限元法用于计算马达最佳尺寸的求解。Belmails，R．等指出转矩是变化的位置函数。法国学者Boukari，N．等将一种迭代法用于计算转子不同位置集总参数。巴西学者Guimaraes，F．G．等用连续可微的隶属函数，采用梯度方法对静电马达进行优化。Lisboa，A．C．等将多切割椭圆体的多目标优化法用于静电微马达的优化设计[16]，该方法扩展了经典椭圆体优化方法，采用多切割方法，代替常规单切割的静电法。Guimaraes，F．G．等提出基于多维二次曲面插值法的电磁场计算无网格法，用于静电分析[17]，该方法能够处理不同材料问表面存在的物理断续问题。

2）国内研究现状