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]本發(fā)明屬于超聲電機(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。在這些微型驅(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Toshiiku Sashida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US4562374A)，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(Seiko)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.1ino, K.Suzuki, M.Kasuga, M.Suzuki, T.Yamanaka.Development of a self-oscillating ultrasonic micro-motor and its applicat1nto a watch.Ultrasonics 38，54—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。以上這些超聲電機(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，難以進(jìn)一步微型化，且難以保證粘接的質(zhì)量一致性。
[0004]利用微加工的方法在硅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, andN.F.de Rooij，Hybrid ultrasonic micromachined motors,Proceedings of MicroElectro Mechanical Systems，1993.]，在娃膜片(Si，厚度 9.2μπι) —側(cè)淀積了氧化鋅薄膜材料(ZnO film,厚度4.5μπι)，ΖηΟ/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600rpm，力矩為50nNmD P.Muralt和M.-A.Dubois制備了類似工作原理的超聲微電機(jī)[M.-A.Duboisand P.Muraltj PZT thin film actuated elastic fin micromotor, IEEE Transact1nson Ultrasonics, Ferroelectricsj and Frequency Control 45，1169-1177，1998.]，利用具有更強(qiáng)壓電性能的PZT壓電薄膜材料(Pb (Zr, Ti) 03縮寫為PZT，厚度I μ m)替換ZnO材料，硅膜片的尺寸為直徑5.2mm，厚度34 μ m，測(cè)試結(jié)果表明PZT/Si復(fù)合膜片的振動(dòng)比ZnO/Si復(fù)合膜片更強(qiáng)，電機(jī)性能得到明顯提升，輸出力矩0.94μΝηι，轉(zhuǎn)速1020rpm。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.Smith, R.Q.Rudy, R.G.Polcawich, and D.L.DeVoe, Integrated thin-fiIm piezoelectrictraveling wave ultrasonic motors, Sensors and Actuators A188,305-311,2012.R.Q.Rudy, G.L.Smith, D.L.DeVoe, and G.Polcawich, Millimeter-scale travelingwave rotary ultrasonic motors, Journal of Microelectromechanical Systems24，108-114,2015.]，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)2300rpm。雖然以上研宄工作演示了基于PZT/Si復(fù)合膜片的微型超聲電機(jī)，但由于高質(zhì)量的PZT壓電薄膜難以獲得(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硅半導(dǎo)體工藝不兼容，且PZT由于成分復(fù)雜以及鉛元素的揮發(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宄)，超聲電機(jī)的性能和一致性難以保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明的目的在于提供一種靜電力驅(qū)動(dòng)的微型超聲電機(jī)，在硅片上制備硅膜片-腔體-硅基底平板電容結(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)定子硅膜片的超聲共振，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，本發(fā)明的一種靜電力驅(qū)動(dòng)的微型超聲電機(jī)，包括:硅基定子、轉(zhuǎn)子、軸承和彈性預(yù)壓力裝置，所述硅基定子上表面設(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)子與所述硅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)子與硅基定子間產(chǎn)生法向壓力，所述硅基定子在驅(qū)動(dòng)電壓作用下產(chǎn)生超聲振動(dòng)，硅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，所述的硅基定子為一個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)體，其基底為低電阻率硅片，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)表面覆蓋二氧化硅絕緣層，一個(gè)高電阻率硅膜片與基底的上表面鍵合并封閉凹槽形成真空腔體，所述高電阻率硅膜