專利名稱：采用五自由度靜電懸浮的可變電容式微靜電電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS(微機電系統(tǒng))工藝的微靜電電機，特別是一種采用五自由度有源靜電懸浮的可變電容式微靜電電機，用于MEMS系統(tǒng)中的微執(zhí)行部件、微慣性敏感元件等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
MEMS是集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型驅(qū)動器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路甚至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。它具有低成本、低能耗、微型化、集成度高和易于批量制造等特點。在微型執(zhí)行器中，通常采用微電機作為微型動力構(gòu)件，目前主要有靜電型、電磁型和超聲波型微電機。從能量密度、體積、工藝等方面考慮，在電機尺寸小于1mm的場合，微靜電電機具備以下優(yōu)勢①幾何形狀和制造工藝簡單；②超微型化后的電場能量密度可與電磁電機的磁場能量密度相比擬；③能量轉(zhuǎn)換效率高。
當微電機的尺寸越來越小時，轉(zhuǎn)子采用接觸式軸承支承時摩擦力矩就變得十分明顯。特別是由于MEMS工藝的微電機中無法加工出通常的軸承組件，許多設(shè)計方案采用簡單的針型支承結(jié)構(gòu)，導致較大的摩擦力矩，成為制約其壽命、性能與效率的關(guān)鍵因素。
為了消除由于機械支承引入的摩擦力矩，可以采用磁懸浮、氣浮或靜電懸浮軸承來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)子的無接觸支承。目前，由于磁懸浮軸承與氣浮軸承還難于實現(xiàn)微型化，在微電機中采用靜電懸浮軸承就顯得十分必要。靜電懸浮具有體積小、功耗低、能量密度高、無電磁場干擾、易于采用MEMS工藝集成等特點，尤其適于超靜、真空環(huán)境以及微尺寸的器件。
美國專利(專利號US5187399)公開了一種“懸浮式微電機“(Levitated Micromotor)，該技術(shù)存在以下不足和缺陷1)僅包含沿Z軸方向的單自由度懸?。?)采用基于LC諧振的無源靜電懸浮方式，支承剛度較低，系統(tǒng)特性不便調(diào)整，電感線圈不易微型化；3)采用側(cè)向驅(qū)動方式，電機驅(qū)動力矩偏低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)的不足，提出一種采用五自由度靜電懸浮的可變電容式微靜電電機，它可完全約束轉(zhuǎn)子除繞Z軸旋轉(zhuǎn)外的所有運動自由度；不僅可提供較大的驅(qū)動力矩，獲得很高的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使其具有尺寸小、重量輕、成本低、壽命長、功耗低、易于大批量加工等特點，而且可進一步提高電機承受的徑向過載能力，消除了機械接觸引起的摩擦力矩，顯著提高了其工作壽命。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種采用五自由度靜電懸浮的可變電容式微靜電電機，其特征在于該微靜電電機包括下定子、外定子、轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子、上定子以及懸浮與轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，下定子和上定子的結(jié)構(gòu)相同，由多個軸向懸浮電極對、多個軸向檢測電極和三相驅(qū)動電極組成圓周平面；每個軸向檢測電極位于一個軸向懸浮電極對之間；所述的三相驅(qū)動電極置于軸向懸浮電極和軸向檢測電極的內(nèi)側(cè)或外側(cè)；所述的外定子和內(nèi)定子處于同一平面內(nèi)，外定子由多個外側(cè)徑向懸浮電極對和多個外側(cè)徑向檢測電極，內(nèi)定子由多個內(nèi)側(cè)徑向懸浮電極對和多個內(nèi)側(cè)徑向檢測電極組成，所述的每個徑向檢測電極位于一個徑向懸浮電極對之間；所述的轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)或外側(cè)表面設(shè)有凹槽和凸極，與上、下驅(qū)動電極相互作用；所述的懸浮控制系統(tǒng)通過差動電容傳感器檢測由各個懸浮電極和轉(zhuǎn)子間構(gòu)成的六路差動電容變化的信號；經(jīng)過坐標變換矩陣T獲得五自由度轉(zhuǎn)子位移信號；五自由度的轉(zhuǎn)子參考位置信號和五自由度的反饋信號分別經(jīng)過求和器運算后得到位置偏差；經(jīng)控制器進行校正后輸出五自由度控制信號；經(jīng)第二個坐標變換矩陣T-1后將五自由度控制信號轉(zhuǎn)換為六路電極控制電壓信號；六路電極控制電壓經(jīng)過靜電執(zhí)行器后輸出十六對加力電壓施加到各個定子懸浮電極上，每對加力電壓的幅值相同、極性相反；通過懸浮電極對轉(zhuǎn)子在電極內(nèi)腔中的五自由度轉(zhuǎn)子運動進行閉環(huán)控制。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述的轉(zhuǎn)子與下定子的上表面、上定子的下表面、外定子的內(nèi)表面和內(nèi)定子的外表面之間保持微米量級的間隙。所述的上定子和下定子可以采用玻璃或硅等材料制造；外定子和內(nèi)定子采用硅材料制造，轉(zhuǎn)子可采用硅或鎳、銅等金屬材料制造。
本發(fā)明所述的加力電壓信號為直流或頻率低于10kHz低頻信號，所述的位移檢測信號為200kHz～5MHz的高頻信號。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果1)采用五自由度有源靜電懸浮，可完全約束轉(zhuǎn)子除繞Z軸旋轉(zhuǎn)外的所有運動自由度；2)采用軸向驅(qū)動方式，可提供較大的驅(qū)動力矩，獲得很高的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；3)轉(zhuǎn)子采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，提高了電機承受的徑向過載能力。將此五自由度靜電懸浮軸承應(yīng)用于微靜電電機，消除了機械接觸引起的摩擦力矩，顯著提高了其工作壽命和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。整個器件采用MEMS微加工技術(shù)制成，具有尺寸小、重量輕、成本低、壽命長、功耗低、易于大批量加工等特點。作為為機械的動力源，此種采用靜電懸浮軸承的靜電電機在MEMS領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的五個懸浮自由度示意圖。
圖2是本發(fā)明提供的微靜電電機的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的上定子或下定子實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明的內(nèi)定子和外定子實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明的靜電懸浮控制系統(tǒng)的原理圖。
圖中1-下定子；2-外定子；3-轉(zhuǎn)子；4-內(nèi)定子；5-上定子；6-氣隙；7-凸極；8-凹槽；9-A相驅(qū)動電極；10-B相驅(qū)動電極；11-C相驅(qū)動電極；12-第一組軸向懸浮電極對；13-軸向檢測電極；14-第二組軸向懸浮電極對；15-第三組軸向懸浮電極對；16-第四組軸向懸浮電極對；17-第一組內(nèi)側(cè)徑向懸浮電極對；18-內(nèi)側(cè)徑向檢測電極；19-第二組內(nèi)側(cè)徑向懸浮電極對；20-第三組內(nèi)側(cè)徑向懸浮電極對；21-第四組內(nèi)側(cè)徑向懸浮電極對；22-第一組外側(cè)徑向懸浮電極對；23-外側(cè)徑向檢測電極；24-第二組外側(cè)徑向懸浮電極對；25-第三組外側(cè)徑向懸浮電極對；26-第四組外側(cè)徑向懸浮電極對；27-求和器；28-控制器；29-坐標變換矩陣(T-1)；30-靜電執(zhí)行器；31-五個自由度運動；32-差動電容傳感器；33-坐標變換矩陣(T)。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理、結(jié)構(gòu)及具體實施方式
作進一步的說明。
圖2是本發(fā)明提供的微靜電電機的總體結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明靜電電機采用三明治結(jié)構(gòu)(如玻璃-硅-玻璃)，本發(fā)明由下定子1、外定子2、轉(zhuǎn)子3、內(nèi)定子4、上定子5組合而成。下定子1在轉(zhuǎn)子的下面，上定子5在轉(zhuǎn)子的上面，外定子2在轉(zhuǎn)子的外面，內(nèi)定子4在轉(zhuǎn)子的內(nèi)部，下定子1、外定子2、內(nèi)定子4、上定子5構(gòu)成一個封閉內(nèi)腔，轉(zhuǎn)子3置于這個封閉的環(huán)形內(nèi)腔的中間，轉(zhuǎn)子3與內(nèi)定子4外表面、外定子2內(nèi)表面、上定子5下表面、下定子1上表面間保持微米級的氣隙6。外定子2、內(nèi)定子4實現(xiàn)轉(zhuǎn)子3沿如圖1所示的x，y兩個自由度的有源靜電懸浮，下定子1、上定子5實現(xiàn)轉(zhuǎn)子3沿如圖1所示的z、θ、三個自由度的有源靜電懸浮，并同時可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子3施加旋轉(zhuǎn)力矩。
如圖3所示，轉(zhuǎn)子為環(huán)形結(jié)構(gòu)，采用強度較好及適合微加工的硅或鎳、銅等材料。8為在轉(zhuǎn)子上加工的若干個凹槽，均布在靠近轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)或外側(cè)的上下表面上。凹槽之間形成凸極7，與上下驅(qū)動電極相互作用，利用可變電容式靜電電機原理產(chǎn)生驅(qū)動力矩或制動力矩，借助于轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)實現(xiàn)對微靜電電機的轉(zhuǎn)速控制。
如圖4所示，下定子1和上定子5的結(jié)構(gòu)相同，由處于同一平面層內(nèi)的軸向懸浮電極，軸向檢測電極和多個驅(qū)動電極組成。上定子和下定子采用玻璃或硅材料制造，其中軸向檢測電極13a位于第一組軸向懸浮電極對12a、12b之間，軸向檢測電極13b位于第二組軸向懸浮電極對14a、14b之間，軸向檢測電極13c位于第三組軸向懸浮電極對15a、15b之間，軸向檢測電極13d位于第四組軸向懸浮電極對16a、16b之間。成對使用的軸向懸浮電極分別加幅值相同、極性相反的加力電壓，使環(huán)形轉(zhuǎn)子對加力電壓而言為零電位。上定子5和下定子1共同實現(xiàn)環(huán)形轉(zhuǎn)子沿如圖1所示的一個平動自由度z和兩個轉(zhuǎn)動自由度θ和的位移檢測和懸浮控制。驅(qū)動電極分為A相驅(qū)動電極9a和9b、B相驅(qū)動電極10a和10b、C相驅(qū)動電極11a和11b共三組，可置于軸向懸浮電極和軸向檢測電極的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，沿下定子1和上定子5的表面形成一個空間分布周期。在上、下定子的A相、B相、C相驅(qū)動電極上分別施加幅值相同、極性相反的加力電壓，使環(huán)形轉(zhuǎn)子對驅(qū)動電壓而言為零電位。在A相、B相、C相驅(qū)動電極上施加方波驅(qū)動電壓，各相間相位相差120°。與轉(zhuǎn)子上的凹槽8和凸極7相互作用，通過轉(zhuǎn)速反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)恒速控制。圖示驅(qū)動電極的極對數(shù)為兩個，實際操作中驅(qū)動電極A相、B相、C相的極對數(shù)可根據(jù)需要配置，以獲得期望的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。
如圖5所示，內(nèi)定子包含徑向懸浮電極和徑向檢測電極，檢測電極布置在懸浮電極中間。其中內(nèi)側(cè)徑向檢測電極18a位于第一組內(nèi)側(cè)徑向懸浮電極對17a、17b之間，內(nèi)側(cè)徑向檢測電極18b位于第二組內(nèi)側(cè)徑向懸浮電極對19a、19b之間，內(nèi)側(cè)徑向檢測電極18c位于第三組內(nèi)側(cè)徑向懸浮電極對20a、20b之間，內(nèi)側(cè)徑向檢測電極18d位于第四組內(nèi)側(cè)徑向懸浮電極對21a、21b之間。外定子包含徑向懸浮電極和徑向檢測電極，檢測電極布置在懸浮電極中間。其中外側(cè)徑向檢測電極23a位于第一組外側(cè)徑向懸浮電極對22a、22b之間，外側(cè)徑向檢測電極23b位于第二組外側(cè)徑向懸浮電極對24a、24b之間，外側(cè)徑向檢測電極23c位于第三組外側(cè)徑向懸浮電極對25a、25b之間，外側(cè)徑向檢測電極23d位于第四組外側(cè)徑向懸浮電極對26a、26b之間。成對使用的徑向懸浮電極分別加幅值相同、極性相反的加力電壓，使環(huán)形轉(zhuǎn)子對加力電壓而言為零電位。內(nèi)定子4和外定子2共同實現(xiàn)環(huán)形轉(zhuǎn)子沿如圖1所示兩個平動自由度x和y的位移檢測和懸浮控制。外定子和內(nèi)定子采用硅材料制造。
如圖6所示，通過差動電容傳感器32檢測由各個懸浮電極和轉(zhuǎn)子間構(gòu)成的6路差動電容變化信號；經(jīng)過坐標變換矩陣(T)33獲得五自由度x、y、z、θ和轉(zhuǎn)子位移信號；五自由度的轉(zhuǎn)子參考位置信號和五自由度的反饋信號分別經(jīng)過求和器27運算后得到位置偏差；經(jīng)控制器28進行校正后輸出五自由度控制信號；經(jīng)第二個坐標變換矩陣(T-1)29后將五自由度控制信號轉(zhuǎn)換為六路電極控制電壓信號；六路電極控制電壓經(jīng)過靜電執(zhí)行器30后輸出十六對幅值相同、極性相反的加力電壓施加到各個定子懸浮電極上；通過懸浮電極對環(huán)形轉(zhuǎn)子在電極內(nèi)腔中的轉(zhuǎn)子五自由度運動31進行閉環(huán)控制。通過設(shè)置轉(zhuǎn)子參考位置為零，可將環(huán)形轉(zhuǎn)子穩(wěn)定地懸浮在電極內(nèi)腔的幾何中心。三十二個加力電壓信號為直流或頻率低于10kHz低頻信號，而位移檢測信號為200kHz～5MHz的高頻信號。因此，借助于頻分復用技術(shù)，加力電極可以兼作位移檢測的激勵電極或讀出電極。
為保證微靜電電機的性能，整個器件可以采用真空封裝。
權(quán)利要求
1.一種采用五自由度靜電懸浮的可變電容式微靜電電機，其特征在于該微靜電電機包括下定子(1)，外定子(2)，轉(zhuǎn)子(3)，內(nèi)定子(4)、上定子(5)以及懸浮控制系統(tǒng)，下定子和上定子的結(jié)構(gòu)相同，由多個軸向懸浮電極對(12a、12b、14a、14b、15a、15b、16a、16b)、多個軸向檢測電極(13a、13b、1c3、13d)和三相驅(qū)動電極(9a、9b、10a、10b、11a、11b)組成圓周平面；每個軸向檢測電極位于一個軸向懸浮電極對之間；所述的三相驅(qū)動電極置于軸向懸浮電極和軸向檢測電極的內(nèi)側(cè)或外側(cè)；所述的外定子和內(nèi)定子處于同一平面內(nèi)，外定子由多個外側(cè)徑向懸浮電極對(22a、22b、24a、24b、25a、25b、26a、26b)和多個外側(cè)徑向檢測電極(23a、23b、23c、23d)，內(nèi)定子由多個內(nèi)側(cè)徑向懸浮電極對(17a、17b、19a、19b、20a、20b、21a、21b)和多個內(nèi)側(cè)徑向檢測電極(18a、18b、18c、18d)組成，所述的每個徑向檢測電極位于一個徑向懸浮電極對之間；所述的轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)或外側(cè)表面設(shè)有凹槽(8)和凸極(7)，與上、下驅(qū)動電極相互作用；所述的懸浮控制系統(tǒng)通過差動電容傳感器(32)檢測由各個懸浮電極和轉(zhuǎn)子間構(gòu)成的六路差動電容變化的信號；經(jīng)過坐標變換矩陣T(33)獲得五自由度(x、y、z、θ、)轉(zhuǎn)子位移信號；五自由度的轉(zhuǎn)子參考位置信號和五自由度的反饋信號分別經(jīng)過求和器(27)運算后得到位置偏差；經(jīng)控制器(28)進行校正后輸出五自由度控制信號；經(jīng)第二個坐標變換矩陣T-1(29)后將五自由度控制信號轉(zhuǎn)換為六路電極控制電壓信號；六路電極控制電壓經(jīng)過靜電執(zhí)行器(30)后輸出十六對幅值相同、極性相反的加力電壓施加到各個定子懸浮電極上；通過懸浮電極對轉(zhuǎn)子在電極內(nèi)腔中的五自由度轉(zhuǎn)子運動(31)進行閉環(huán)控制。
2.按照權(quán)利要求1所述的采用五自由度靜電懸浮的可變電容式微靜電電機，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子與下定子的上表面、上定子的下表面、外定子的內(nèi)表面和內(nèi)定子的外表面之間保持微米量級的間隙。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的采用五自由度靜電懸浮的可變電容式微靜電電機，其特征在于所述的上定子和下定子采用玻璃或硅材料制造；外定子和內(nèi)定子采用硅材料制造，轉(zhuǎn)子采用硅、鎳或銅材料制造。
4.按照權(quán)利要求1所述的采用五自由度靜電懸浮的可變電容式微靜電電機，其特征在于所述的加力電壓信號為直流或頻率低于10kHz低頻信號，所述的位移檢測信號為200kHz～5MHz的高頻信號。
全文摘要
一種采用五自由度靜電懸浮的可變電容式微靜電電機，用于MEMS系統(tǒng)的微執(zhí)行部件、微慣性敏感元件等領(lǐng)域。本發(fā)明包括上定子、下定子、轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子和外定子以及懸浮控制系統(tǒng)，上下定子和內(nèi)外定子構(gòu)成一個封閉的內(nèi)腔，工作時轉(zhuǎn)子懸浮于這個環(huán)形內(nèi)腔的幾何中心，利用軸向和徑向加力電極施加靜電力，通過檢測電極與轉(zhuǎn)子間的電容差動變化實現(xiàn)位移檢測，借助于懸浮控制系統(tǒng)實現(xiàn)五自由度有源靜電懸浮，利用轉(zhuǎn)子上的凸極和定子上的驅(qū)動電極施加驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。本發(fā)明提出的微靜電電機可約束轉(zhuǎn)子除繞Z軸旋轉(zhuǎn)外的所有運動自由度，不僅消除了機械接觸引起的摩擦力矩，顯著提高了工作壽命，還可提供較大的驅(qū)動力矩和徑向過載能力，獲得很高的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
文檔編號H02N1/00GK1829064SQ20061001160
公開日2006年9月6日 申請日期2006年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者韓豐田, 陳曦, 吳秋平, 董景新 申請人:清華大學