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1、一款微型靜電旋轉(zhuǎn)電機設(shè)計 一款微型靜電旋轉(zhuǎn)電機設(shè)計林奎成（清華大學(xué)精儀系，北京 100084）摘 要：微型靜電電機是 MEMS 技術(shù)中一種非常重要的機械驅(qū)動裝置，相關(guān)的研究引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視。本文從原理方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、集總參數(shù)建模、數(shù)值仿真計算等方面對一款典型的微型靜電旋轉(zhuǎn)電機進行了設(shè)計。結(jié)合理論推導(dǎo)公式分析了靜電旋轉(zhuǎn)電機的性能優(yōu)化方法。根據(jù)理論轉(zhuǎn)矩公式設(shè)計了電機相關(guān)尺寸參數(shù)，計算出當最大激勵電壓為 50V 時，其理論最

2、大轉(zhuǎn)矩為 7N·nm，滿足實際要求。采用表面微機械加工、表面刻蝕以及氣相沉積相結(jié)合的方法設(shè)計了微型靜電電機的加工工藝。關(guān)鍵詞：微型靜電電機；集總參數(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；表面刻蝕 中圖分類號：Design of a micro electrostatic rotary motorLin Kuicheng(Department of Precision Instruments and Mechanology Tsinghua Univer

3、sity, Beijing 100084)Abstract: Abstract: Electrostatic micro-motor is a very important technology in the MEMS mechanical driveunit,related research has aroused great attention of scholars home and abroad. From the princi

4、ple of design, structural design,lumped parameter modeling,numerical simulation and other aspects，a typical micro electrostatic rotary motor is designed. Combining theoretical formula, this article analysed the electrost

5、atic rotary motor performance optimization methods. According to the theoretical design of the motor torque formula, this article designed size parameters, calculated that when the maximum excitation voltage of 50V, its

6、theoretical maximum torque 7N?nm,meeting the actual requirements. Using surface micro-machining, surface etching and vapor deposition method designed of a micro electrostatic motor processes. Keywords: Keywords: electros

7、tatic micro-motor; lumped parameter; structural design; surface etching0 前言 前言微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展使得眾多的工業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)了革命性的發(fā)展，微型電機是MEMS中的非常重要的一種機械驅(qū)動裝置，一定程度上代表著MEMS發(fā)展水平。1987年加州大學(xué)伯克利分校科學(xué)家研制出世界上第一臺微型靜電電機，此后掀起了微電機的發(fā)展的浪潮，相繼出現(xiàn)了頂驅(qū)動電機、側(cè)驅(qū)動電機、

8、擺動電機、中心電機、法蘭盤電機、線性步進電機等多種微電機。[1]微型靜電電機具有轉(zhuǎn)速高、無直流功耗、易于控制以及加工工藝可與IC制造工藝相結(jié)合的特點，因而引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。微型靜電電機技術(shù)主體包括五個方面，設(shè)計、建模和仿真、加工制造、應(yīng)用及其可靠性分析。一般來說，微型靜電電機可適用于諸如靜電微泵等微驅(qū)動器、微傳感器、半導(dǎo)體器件、光電子元件和數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)等低轉(zhuǎn)矩、高速的應(yīng)用，且適合于在芯片上完成工作。[2]在制造工藝方面，

9、以美國、日本以及德國分別代表了三種制造以用集總參數(shù)法對其進行參數(shù)建模。在建模的過程中考慮電機在工作時所受影響條件可以分為：電機轉(zhuǎn)子本身具有一定的質(zhì)量 ，可等效為一個電感 M；轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中將受到軸承與固定支座之間 1 L的摩擦阻尼以及轉(zhuǎn)子與定子之間的氣動阻尼，兩者可以疊加為阻尼 b，并在等效電路中可以等效為電阻 ；電子轉(zhuǎn)子承受來自外部所施加的負載轉(zhuǎn)矩 R T，在等效電路中可以等效為一個負電壓 。 L V圖 2 等效電路根據(jù)等效電路，轉(zhuǎn)

10、矩與轉(zhuǎn)速以及負載力矩之間的關(guān)系式可以列寫為：Md T T b M dt? ? ? ? ?（3-1）當電機處于轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下，負載轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為（3- M T T b? ? ?2）從式（3-2）可知，改善電機的摩擦性能，在高速運轉(zhuǎn)的條件下，降低軸承與支座之間的阻尼能夠起有效的改善電機的負載性能。3 數(shù)值仿真計算 數(shù)值仿真計算設(shè)計一款微型靜電旋轉(zhuǎn)電機，其電極長度 L 為300μm，轉(zhuǎn)子外半徑 r 為 600μm，定子電極與轉(zhuǎn)子

11、外半徑之間的間距 g 為 5μm。定子分布電極數(shù)為 36，采用兩路具有相對延時的方波信號作為激勵電壓，激勵電壓最大值 V 為 50V。定子與轉(zhuǎn)子之間介電常數(shù)ε為 8.87×10-12F/m。根據(jù)式（2-6）可近似計算出微靜電電機的理論最大輸入轉(zhuǎn)矩 T=7N·nm。由于理論的數(shù)值計算沒有考慮轉(zhuǎn)子摩擦損耗、電極之間邊緣效應(yīng)等情況造成的轉(zhuǎn)矩損失，因而實際輸出的轉(zhuǎn)矩將會比理論計算的低，具體實際輸出的轉(zhuǎn)矩有待進一步的實驗驗證。

12、結(jié)合式（2-6）進行分析，電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩是與定子電極數(shù)、電極長度、轉(zhuǎn)子外半徑以及最大輸入電壓等參數(shù)正相關(guān)的，而與定子和轉(zhuǎn)子之間的間距、激勵電壓相數(shù)等參數(shù)負相關(guān)的。介電常數(shù)方面也是一個可以改進的重要因素，真空介電常數(shù)是很小的，可以嘗試在轉(zhuǎn)子和定子之間填充一些特殊液體，同時在制作轉(zhuǎn)子時對表面進行納米工藝處理，改善其與相關(guān)液體粘附性，或許能夠大幅度提高輸出轉(zhuǎn)矩。在考慮調(diào)整最大輸出轉(zhuǎn)矩時可以針對不同的參數(shù)進行調(diào)整，以達到整個系統(tǒng)的優(yōu)化，這些