利用LIGA技術(shù)研制超微步進(jìn)電機(jī)

功1G-BITCOMXttW中國電子制造業(yè)資訊平臺No.1Big-bit微電機(jī)世界網(wǎng)/news/193831.html利用LIGA技術(shù)研制超微步進(jìn)電機(jī)【大比特導(dǎo)讀】設(shè)計(jì)分析利用技術(shù)研制超微步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子由LIGA技術(shù)制造完成，線圈由于工在顯微鏡下繞制完成，轉(zhuǎn)子直徑2mm，整個(gè)電機(jī)直徑5mm.設(shè)計(jì)分析利用技術(shù)研制超微步進(jìn)電機(jī)，伊福廷，彭良強(qiáng)，張菊芳，韓勇（中國科學(xué)院高能物理研究所，北京100039）計(jì)、加工方法以及該電機(jī)的掃描電鏡照片等。該電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子由LIGA技術(shù)制造完成，線圈由手工在顯微鏡下繞制完成，轉(zhuǎn)子直徑2mm，整個(gè)電機(jī)直徑5mm.技術(shù)1簡介超微電機(jī)是微機(jī)械系統(tǒng)中重要的執(zhí)行元件之一，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)和平行運(yùn)動(dòng)。微電機(jī)有靜電式、電磁式等多種結(jié)構(gòu)形式，國內(nèi)有清華大學(xué)、上海交通大學(xué)進(jìn)行了微電機(jī)的制造，并已取得了很好的研究結(jié)果。微加工技術(shù)有很多加工手段，有硅技術(shù)、LIGA技術(shù)、SU8技術(shù)、電火花加工、電解加工、激光加工、傳統(tǒng)的車銑等多種方法。清華大學(xué)和上海交通大學(xué)就是主要利用硅加工技術(shù)完成了微電機(jī)的制造。LIGA技術(shù)是80年代末發(fā)展起來的微加工技（電鑄），Abformung（塑鑄）三個(gè)字的字頭縮寫，包括光刻、電鑄和塑鑄三個(gè)主要工藝環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)深度可以達(dá)到毫米或厘米。LIGA工藝中首先是同步輻射光刻，光刻膠經(jīng)過曝光顯影后得到一光刻膠的膠模，也是深度微結(jié)構(gòu)最為原始的結(jié)構(gòu)然后利用電鑄工藝，將這一膠模轉(zhuǎn)換成塑鑄所用的金屬模具最后利用金屬模具進(jìn)行大批量生產(chǎn)塑料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，或大批量復(fù)制再電鑄所需要的非金屬模，再利用電鑄工藝將復(fù)制出的塑料模大批量轉(zhuǎn)換成金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。LIGA技術(shù)是微加工技術(shù)的重要手段，也是微機(jī)械系統(tǒng)制造較為適合的加工方法，在微機(jī)械等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景，已經(jīng)制造出光纖連接器、熱交換器、齒輪、微泵、電機(jī)等許多的微機(jī)械器件，有些器件已經(jīng)投入使用。中國電子制造業(yè)資訊平臺No.2Big-bit微電機(jī)世界網(wǎng)LIGA技術(shù)是利用光刻技術(shù)進(jìn)行微機(jī)械結(jié)構(gòu)和零件的加工，而光刻技術(shù)又是電子器件生產(chǎn)的一種方法，因此在方法上就實(shí)現(xiàn)了微電子與微機(jī)械的結(jié)合，為維系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展提供了一種強(qiáng)有力的實(shí)現(xiàn)方法。該技術(shù)是利用同步輻射X光光刻技術(shù)制造原始膠結(jié)構(gòu)，由于同步輻射光刻的優(yōu)越性能，使LIGA技術(shù)具有其它技術(shù)所無法相比的優(yōu)越性能，其優(yōu)點(diǎn)：（1）任意橫向尺寸的結(jié)構(gòu)（2）最小尺寸可達(dá)0.2Lm（3）高寬比最大可達(dá)500（4）結(jié)構(gòu)表面粗糙度在亞微米范圍，達(dá)30nm（5）廣泛的材料選擇，可以是PMMA等有機(jī)材料，也可以是Ni等金屬或金屬合金材料（6）注塑技術(shù)可以進(jìn)行大批量，低成本生產(chǎn)。BSRF自1993年起開始從事LIGA技術(shù)的研究工作，取得了許多研究成果，基本上完成了除塑鑄外的整個(gè)工藝過程。在進(jìn)行基礎(chǔ)工藝研究的同時(shí)，進(jìn)行了應(yīng)用技術(shù)的研究：懸空金屬微條探測器、微加速度計(jì)、微鑷子、正電子慢化器及微電機(jī)等，其中超微步進(jìn)電機(jī)就是一重要應(yīng)用研究方向，并已取得了很好的研究成果。超微步進(jìn)電機(jī)是微機(jī)械系統(tǒng)中重要的執(zhí)行元件，微機(jī)械系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)動(dòng)作都可以用超微步進(jìn)電機(jī)來完成。超微步進(jìn)電機(jī)是較為復(fù)雜的微機(jī)械器件，包括轉(zhuǎn)子、定子、軸、軸承、線圈、磁棒、驅(qū)動(dòng)電源等。我們在吸收和消化國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的微電機(jī)設(shè)計(jì)思想，使該電機(jī)具有很好的結(jié)構(gòu)性能。通過利用上犧牲層技術(shù)（已申請了國家發(fā)明專利），將分散的電機(jī)定子很好地結(jié)合起來，從而可以作為一個(gè)完整的部件進(jìn)行裝配2設(shè)計(jì)原理超微步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行原理上與傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)沒有本質(zhì)的區(qū)別，考慮到微型電機(jī)的一些制造特點(diǎn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用了軟磁材料，以便滿足制造工藝的需要。圖1為步進(jìn)電機(jī)的原理圖電機(jī)采用四極，轉(zhuǎn)子為50個(gè)齒，每個(gè)定子為5個(gè)齒，四對定子電極角度分布相差1/4齒間距。在一對定子與轉(zhuǎn)子磁力吸合時(shí)，其相鄰的定子對的齒將與轉(zhuǎn)子齒保持1/4齒的角間距，這樣在下一步改變定子的磁力時(shí)，轉(zhuǎn)子齒將與下一個(gè)定子齒磁力吸合，從而旋轉(zhuǎn)1/4齒距的角度。通過不斷改變四對定子齒的磁力，轉(zhuǎn)子就會(huì)每次以1/4齒距的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)的效果四對定子的磁力是靠四個(gè)纏繞線圈的磁棒分別提供的，線圈由一脈沖電源提供電力供應(yīng)，這樣通過改變電源的脈沖頻率，就可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的步進(jìn)頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)力矩是通過電磁學(xué)理論計(jì)算出來。從安培的電磁場環(huán)流定律和能量守恒，我們可以得到轉(zhuǎn)子齒所受的力和力矩：式中：S）空氣間隙的表面積，）空氣間隙的距離，）材料的相對磁導(dǎo)率，R）轉(zhuǎn)子半徑，L）磁鐵回路距離。3工藝過程利用LIGA技術(shù)來制造這一電機(jī)。首先是LIGA技術(shù)的常規(guī)工藝流程，包括在鈦片上涂PMMA光刻膠，同步輻射光刻，電鑄鎳然后是制造轉(zhuǎn)子所需要的犧牲層，包括涂AZ1350光刻膠，套刻，顯影，蒸鍍金屬銅膜，將金屬銅膜用電鍍的方法加厚到0.5mm，并利用機(jī)械方法在加厚的銅體上鉆孔，以使導(dǎo)磁棒從中穿過最后將鈦片、PMMA和犧牲層去除掉，并將帶有線圈的導(dǎo)磁棒安裝到定子的插孔內(nèi)，這樣電機(jī)就裝配完畢。線圈是在顯微鏡下由手工繞制而成，漆包線的直徑為50Lm，可通電流100mA.磁棒是普通的鐵絲，直徑為0.5mm.中國電子制造業(yè)資訊平臺No.3Big-bit微電機(jī)世界網(wǎng)脈沖電源由常規(guī)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源改造完成，脈沖頻率4參數(shù)的確定從扭矩的計(jì)算公式中，我們可以看到，扭矩與轉(zhuǎn)子半徑R、空氣間隙的表面積S、線圈的電流和圈數(shù)的平方成正比，與空氣間隙的距離和磁鐵回路平方成反比。對于上述LIGA工藝路線的考慮，以及能夠有一定的輸出扭矩，我們選電機(jī)的轉(zhuǎn)子半徑R=1mm，=0.03mm,選用鎳為磁性材料，L2000，轉(zhuǎn)子厚度選用LIGA技術(shù)通常能達(dá)到的水平Tm/A.我們就可以得到一扭矩和偏角的函數(shù)，從這一曲線上看，當(dāng)H=45b時(shí)，扭矩達(dá)到最大，T利用LIGA技術(shù)研制超微步進(jìn)電機(jī)由于采用了獨(dú)特的上犧牲層技術(shù)，使該電機(jī)具有良好的結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)。中間為轉(zhuǎn)子，四周為分散的四對（八個(gè)）定子。四對定子的齒分布相差1/4齒間距，通過依次對不同定子對施加磁場，就可使轉(zhuǎn)子齒與不同定子齒相吸合，這樣轉(zhuǎn)子就會(huì)以每步1/4齒間距的角度轉(zhuǎn)動(dòng)。定子對的磁力是靠4個(gè)線圈產(chǎn)生的磁力來提供的，4個(gè)線圈由一脈沖電源提供電力供應(yīng)。導(dǎo)磁棒通過銅的基片插入定子的孔內(nèi)。目前，該電機(jī)已能夠在脈沖電源的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為60r/min.5結(jié)論利用LIGA技術(shù)來制造超微電機(jī)的優(yōu)勢，就在于它可以制造出較厚的結(jié)構(gòu)，這樣可以得到較大的輸出扭矩。從計(jì)算的結(jié)果看，該電機(jī)有很大的輸出扭矩，能夠滿足微產(chǎn)品的而女。該電機(jī)由多個(gè)部件組成，其中轉(zhuǎn)子和定子由LIGA技術(shù)完成，線圈由手工在顯微鏡下繞制完成。目前，電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子由鎳材料制造，線圈的導(dǎo)磁棒是鐵材料，從導(dǎo)磁的角度來說，這些材料都不是最好的材料轉(zhuǎn)子和定子的結(jié)構(gòu)尺寸也不是最佳尺寸，所以還需要進(jìn)一步的優(yōu)化脈沖驅(qū)動(dòng)電源是常規(guī)電源改造完成，并不是專用電源，其脈沖結(jié)構(gòu)還需要改進(jìn)。在以上這樣的條件下，轉(zhuǎn)子能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，這充分證明了該電機(jī)設(shè)計(jì)的可行性，結(jié)構(gòu)的合理性。在以后的工作中，將對以上的因素進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，這樣該電機(jī)的性能將會(huì)有更大的