[发明专利]一种静电力驱动的微型超声电机

说明书

技术领域

本发明属于超声电机技术领域，尤其是一种基于静电力激发结构体的超声振动的微型超声电机。

背景技术

与传统的电磁电机相比，尤其是在小尺寸(毫米-厘米)范围中，超声电机已经显示了许多独特的优点，诸如相对高的功率密度，大的驱动力，和相对高的效率。传统的电磁电机在几个毫米量级尺寸的制造方面已变得很困难，而且它的效率在几个毫米尺寸时只剩下百分之几(<8％)，因为它缺少足够强的磁场。超声电机利用结构体(定子)的超声振动和介面摩擦驱动转子(动子)运动，其效率基本与尺寸无关，也没有磁场问题。超声电机即使在毫米尺寸，也能维持低速和大力矩的特征。作为精密驱动元件，超声电机被应用于一些高新技术产品诸如手机，医学成像系统和其它微型医用设备的关键元件。许多新的驱动技术，诸如音圈电机、压电驱动器、超声电机等，已有了快速发展，并在许多领域里获得成功应用。在这些微型驱动技术中，超声电机在运动行程、驱动力、驱动精度和功率消耗等方面已显示出明显的优越性。

利用结构体的高频振动和介面摩擦来输出运动和力的思想在上世纪60年代被提出。日本的Toshiiku Sashida于上世纪80年代初提出旋转型行波超声电机(美国专利US 4562374A)，此类超声电机具有较大的力矩和较低的转速，被大量应用于照相机中驱动镜头运动实现自动聚焦。日本精工公司(Seiko)在1996年研制出一种直径为8mm的旋转型驻波超声电机，并用于手表的振动报时(A.Iino,K.Suzuki,M.Kasuga,M.Suzuki,T.Yamanaka.Development of a self-oscillating ultrasonic micro-motor and its application to a watch.Ultrasonics 38,54-59,2000.)。精工公司通过进一步改进结构缩小尺寸，研制出直径为4.5mm，厚度为2.5mm的超声电机，并将其应用于手表中驱动日历，使机构简化。以上这些超声电机都是利用压电陶瓷激发定子的超声振动，制备过程中需要用环氧树脂将压电陶瓷与金属结构体粘接在一起而形成定子，难以进一步微型化，且难以保证粘接的质量一致性。

利用微加工的方法在硅片上制备微型超声电机有可能使电机进一步微型化。G.-A.Racine等人利用硅微加工的方法制备了超声微电机[G.-A.Racine,R.Luthier,and N.F.de Rooij,Hybrid ultrasonic micromachined motors,Proceedings of Micro Electro Mechanical Systems,1993.]，在硅膜片(Si,厚度9.2μm)一侧淀积了氧化锌薄膜材料(ZnO film,厚度4.5μm)，ZnO/Si复合膜片在电压作用下产生弯曲振动，硅膜片与柔性转子(转子上制备了倾斜的柔性齿)接触并输出单向旋转运动。该电机定子制备过程中利用了薄膜制备方法和硅刻蚀方法，制备的电机尺寸为6×6×2mm3，转速为600rpm，力矩为50nNm。P.Muralt和M.-A.Dubois制备了类似工作原理的超声微电机[M.-A.Dubois and P.Muralt,PZT thin film actuated elastic fin micromotor,IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control 45,1169-1177,1998.]，利用具有更强压电性能的PZT压电薄膜材料(Pb(Zr,Ti)O3缩写为PZT，厚度1μm)替换ZnO材料，硅膜片的尺寸为直径5.2mm，厚度34μm，测试结果表明PZT/Si复合膜片的振动比ZnO/Si复合膜片更强，电机性能得到明显提升，输出力矩0.94μNm，转速1020rpm。G.L.Smith和R.Q.Rudy等人制备了基于PZT/Si复合膜片的旋转型行波超声微电机[G.L.Smith,R.Q.Rudy,R.G.Polcawich,and D.L.DeVoe,Integrated thin-film piezoelectric traveling wave ultrasonic motors,Sensors and Actuators A188,305-311,2012.R.Q.Rudy,G.L.Smith,D.L.DeVoe,and G.Polcawich,Millimeter-scale traveling wave rotary ultrasonic motors,Journal of Microelectromechanical Systems 24,108-114,2015.]，实验证实定子中能产生振幅均匀的行波，最大转速可达2300rpm。虽然以上研究工作演示了基于PZT/Si复合膜片的微型超声电机，但由于高质量的PZT压电薄膜难以获得(PZT薄膜的制备过程中需要在含氧气氛下进行高温热处理，与硅半导体工艺不兼容，且PZT由于成分复杂以及铅元素的挥发性导致薄膜性能和一致性很难控制，另外，PZT薄膜的刻蚀工艺也有待研究)，超声电机的性能和一致性难以保证。