一种静电力驱动的微型超声电机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型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】
[0002] 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。在该些微型驱动技术中，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。
[0003] 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ToshiikuSashida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（Se化0)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.lino,K.Suzuki,M.Kasuga,M.Suzuki,T.Yamanaka. Developmentofaself-oscillatingultrasonicmicro-motoranditsapplication toawatch.叫trasonics38, 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。 W上该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W进一步微型化，且难W保证粘接的质 量一致性。
[0004] 利用微加工的方法在娃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等人利用娃微加工的方法制备了超声微电机[G. -A.Racine,R.Luthier,and N.F.deRooij,Hybridultrasonicmicromachinedmotors,ProceedingsofMicro ElectroMechanicalSystems, 1993.]，在娃膜片（Si,厚度 9. 2ym) -侧淀积了氧化锋薄 膜材料狂nOfilm,厚度4.5ym)，化0/Si复合膜片在电压作用下产生弯曲振动，娃膜片与 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娃刻蚀方法，制备的电机尺寸为6X6X2mm3,转速为60化pm，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 andP.Muralt,PZTthinfilmactuatedelasticfinmicromotor,IEEETransactions onUltrasonics,Ferroelectrics,andFrequencyControl45, 1169-1177, 1998.]，利用 具有更强压电性能的PZT压电薄膜材料（PbGr，Ti) 03缩写为PZT，厚度1ym)替换ZnO材 料，娃膜片的尺寸为直径5. 2mm，厚度34ym，测试结果表明PZT/Si复合膜片的振动比化0/ Si复合膜片更强，电机性能得到明显提化输出力矩0. 94yNm，转速1020巧m。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.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.]，实验证实定子中能产生振幅均匀的行波，最大转速可达2300巧m。虽 然W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W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，与娃半导体工艺 不兼容，且PZT由于成分复杂W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W保证。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术不足，本实用新型的目的在于提供一种静电力驱动的微型超声电 机，在娃片上制备娃膜片-腔体-娃基底平板电容结构的定子，利用平板电容两电极间的静 电吸引力激发电机定子娃膜片的超声共振，并通过定/转子间的摩擦输出力矩，不需要利 用压电材料，能提高超声微电机的性能一致性。
[0006] 为达到上述目的，本实用新型的一种静电力驱动的微型超声电机，包括；娃基定 子、转子、轴承和弹性预压力装置，所述娃基定子上表面设有一齿状凸起；所述转子的一端 套设于轴承内作旋转运动，所述转子与所述娃基定子的齿状凸起相接触；所述弹性预压力 装置沿轴向施加预压力于转子，使转子与娃基定子间产生法向压力，所述娃基定子在驱动 电压作用下产生超声振动，娃基定子的齿状凸起通过摩擦力驱动转子旋转。
[0007] 较佳地，所述的娃基定子为一个复合结构体，其基底为低电阻率娃片，基底的上表 面刻蚀出一个环形凹槽，基底的上表面和环形凹槽内表面覆盖二氧化娃绝缘层，一个高电 阻率娃膜片与基底的上表面键合并封闭凹槽形成真空腔体，所述高电阻率娃膜片上表面设 置有第一金属电极和所述的齿状凸起。
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