一種靜電力驅(qū)動(dòng)的微型超聲電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于超聲電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于靜電力激發(fā)結(jié)構(gòu)體的超聲振 動(dòng)的微型超聲電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002] 與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，尤其是在小尺寸（毫米-厘米）范圍中，超聲電機(jī)已經(jīng)顯 示了許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，諸如相對(duì)高的功率密度，大的驅(qū)動(dòng)力，和相對(duì)高的效率。傳統(tǒng)的電磁 電機(jī)在幾個(gè)毫米量級(jí)尺寸的制造方面已變得很困難，而且它的效率在幾個(gè)毫米尺寸時(shí)只剩 下百分之幾（<8% )，因?yàn)樗鄙僮銐驈?qiáng)的磁場(chǎng)。超聲電機(jī)利用結(jié)構(gòu)體（定子）的超聲振動(dòng) 和介面摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子（動(dòng)子）運(yùn)動(dòng)，其效率基本與尺寸無(wú)關(guān)，也沒(méi)有磁場(chǎng)問(wèn)題。超聲電機(jī)即 使在毫米尺寸，也能維持低速和大力矩的特征。作為精密驅(qū)動(dòng)元件，超聲電機(jī)被應(yīng)用于一些 高新技術(shù)產(chǎn)品諸如手機(jī)，醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)和其它微型醫(yī)用設(shè)備的關(guān)鍵元件。許多新的驅(qū)動(dòng)技 術(shù)，諸如音圈電機(jī)、壓電驅(qū)動(dòng)器、超聲電機(jī)等，已有了快速發(fā)展，并在許多領(lǐng)域里獲得成功應(yīng) 用。在該些微型驅(qū)動(dòng)技術(shù)中，超聲電機(jī)在運(yùn)動(dòng)行程、驅(qū)動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)精度和功率消耗等方面已 顯示出明顯的優(yōu)越性。
[0003] 利用結(jié)構(gòu)體的高頻振動(dòng)和介面摩擦來(lái)輸出運(yùn)動(dòng)和力的思想在上世紀(jì)60年代被提 出。日本的ToshiikuSashida于上世紀(jì)80年代初提出旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)（美國(guó)專利US 4562374A)，此類超聲電機(jī)具有較大的力矩和較低的轉(zhuǎn)速，被大量應(yīng)用于照相機(jī)中驅(qū)動(dòng)鏡頭 運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦。日本精工公司（Se化0)在1996年研制出一種直徑為8mm的旋轉(zhuǎn)型駐 波超聲電機(jī)，并用于手表的振動(dòng)報(bào)時(shí)（A.lino,K.Suzuki,M.Kasuga,M.Suzuki,T.Yamanaka. Developmentofaself-oscillatingultrasonicmicro-motoranditsapplication toawatch.叫trasonics38, 54-59, 2000.)。精工公司通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)縮小尺寸，研 制出直徑為4. 5mm，厚度為2. 5mm的超聲電機(jī)，并將其應(yīng)用于手表中驅(qū)動(dòng)日歷，使機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化。 W上該些超聲電機(jī)都是利用壓電陶瓷激發(fā)定子的超聲振動(dòng)，制備過(guò)程中需要用環(huán)氧樹脂將 壓電陶瓷與金屬結(jié)構(gòu)體粘接在一起而形成定子，難W進(jìn)一步微型化，且難W保證粘接的質(zhì) 量一致性。
[0004] 利用微加工的方法在娃片上制備微型超聲電機(jī)有可能使電機(jī)進(jìn)一步微型化。 G. -A.Racine等人利用娃微加工的方法制備了超聲微電機(jī)[G. -A.Racine,R.Luthier,and N.F.deRooij,Hybridultrasonicmicromachinedmotors,ProceedingsofMicro ElectroMechanicalSystems, 1993.]，在娃膜片（Si,厚度 9. 2ym) -側(cè)淀積了氧化鋒薄 膜材料狂nOfilm,厚度4.5ym)，化0/Si復(fù)合膜片在電壓作用下產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，娃膜片與 柔性轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子上制備了傾斜的柔性齒）接觸并輸出單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該電機(jī)定子制備過(guò)程 中利用了薄膜制備方法和娃刻蝕方法，制備的電機(jī)尺寸為6X6X2mm3,轉(zhuǎn)速為60化pm，力 矩為50nNm。P.Muralt和M. -A.Dubois制備了類似工作原理的超聲微電機(jī)[M. -A.Dubois andP.Muralt,PZTthinfilmactuatedelasticfinmicromotor,IEEETransactions onUltrasonics,Ferroelectrics,andFrequencyControl45, 1169-1177, 1998.]，利用 具有更強(qiáng)壓電性能的PZT壓電薄膜材料（PbGr，Ti) 03縮寫為PZT，厚度1ym)替換ZnO材 料，娃膜片的尺寸為直徑5. 2mm，厚度34ym，測(cè)試結(jié)果表明PZT/Si復(fù)合膜片的振動(dòng)比化0/ Si復(fù)合膜片更強(qiáng)，電機(jī)性能得到明顯提化輸出力矩0. 94yNm，轉(zhuǎn)速1020巧m。G.L.Smith 和R.Q.Rudy等人制備了基于PZT/Si復(fù)合膜片的旋轉(zhuǎn)型行波超聲微電機(jī)[G.L.Smi地，R. Q.民udy,民.G.Polcawich,andD.L.DeVoe,Integratedthin-filmpiezoelectric travelingwaveultrasonicmotors,SensorsandActuatorsA188,305-311，2012. 民.Q.民udy,G.L.Smith,D.L.DeVoe,andG.Polcawich,Millimeter-scaletraveling waverotaryultrasonicmotors.JournalofMicroelectromechanicalSystems 24, 108-114, 2015.]，實(shí)驗(yàn)證實(shí)定子中能產(chǎn)生振幅均勻的行波，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)2300巧m。雖 然W上研究工作演示了基于PZT/Si復(fù)合膜片的微型超聲電機(jī)，但由于高質(zhì)量的PZT壓電薄 膜難W獲得（PZT薄膜的制備過(guò)程中需要在含氧氣氛下進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚c娃半導(dǎo)體工藝 不兼容，且PZT由于成分復(fù)雜W及鉛元素的揮發(fā)性導(dǎo)致薄膜性能和一致性很難控制，另外， PZT薄膜的刻蝕工藝也有待研究），超聲電機(jī)的性能和一致性難W保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種靜電力驅(qū)動(dòng)的微型超聲電 機(jī)，在娃片上制備娃膜片-腔體-娃基底平板電容結(jié)構(gòu)的定子，利用平板電容兩電極間的靜 電吸引力激發(fā)電機(jī)定子娃膜片的超聲共振，并通過(guò)定/轉(zhuǎn)子間的摩擦輸出力矩，不需要利 用壓電材料，能提高超聲微電機(jī)的性能一致性。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的一種靜電力驅(qū)動(dòng)的微型超聲電機(jī)，包括；娃基定 子、轉(zhuǎn)子、軸承和彈性預(yù)壓力裝置，所述娃基定子上表面設(shè)有一齒狀凸起；所述轉(zhuǎn)子的一端 套設(shè)于軸承內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所述轉(zhuǎn)子與所述娃基定子的齒狀凸起相接觸；所述彈性預(yù)壓力 裝置沿軸向施加預(yù)壓力于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子與娃基定子間產(chǎn)生法向壓力，所述娃基定子在驅(qū)動(dòng) 電壓作用下產(chǎn)生超聲振動(dòng)，娃基定子的齒狀凸起通過(guò)摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
[0007] 較佳地，所述的娃基定子為一個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)體，其基底為低電阻率娃片，基底的上表 面刻蝕出一個(gè)環(huán)形凹槽，基底的上表面和環(huán)形凹槽內(nèi)表面覆蓋二氧化娃絕緣層，一個(gè)高電 阻率娃膜片與基底的上表面鍵合并封閉凹槽形成真空腔體，所述高電阻率娃膜片上表面設(shè) 置有第一金屬電極和所述的齒狀凸起。
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