超微型電機的制造技術(shù)及其發(fā)展動態(tài)
楊大偉(蘇州市廣播電視局215006)
張耀安(蘇州電訊電機廠)
1引 言
微細加工技術(shù)是一種新興的高科技技術(shù),它使人們制造大型機械設(shè)備轉(zhuǎn)而能制造微型機械。微型機械亦稱為微電子機械系統(tǒng)或超微機電系統(tǒng),這是一種采用微細加工技術(shù)制成的體積很小、重量很輕、組成構(gòu)件以微米或納米為度量單位的超微細機電一體化產(chǎn)品,主要用在醫(yī)療、信息、航空航天、軍事裝備等領(lǐng)域,微型機械的動力構(gòu)件即是采用微細加工技術(shù)制成的超微型電機。
2超微型電機
微型機構(gòu)不僅縮小了機器尺寸、節(jié)約材料與能源,而且它是人類探索微觀領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的一種重要工具,作為微型機械的動力構(gòu)件,超微型電機的研制已成為國內(nèi)外的科研重點。
電機一般分為電磁型和靜電型兩類,電磁型電機及其傳動裝置在辦公、工廠、家庭自動化等領(lǐng)域占主導(dǎo)地位,其特點是可以低電壓驅(qū)動易于利用電流對驅(qū)動力進行控制,但因其結(jié)構(gòu)上需要采用產(chǎn)生磁場的線圈,故難以達到極端小型化,因而在超微型電機中電磁型電機很少。據(jù)報道,目前世界上最小的電磁式電機是日本東芝公司所研制的直徑0. 8mm輔向間隔型同步電機,電機重量4×10-6kg,電壓1.7v,轉(zhuǎn)速60~10 000r/m in,電機轉(zhuǎn)矩5×10-8nm,電機體積不到immb,在直徑o.imm的鐵心上繞20圈o.03mm的導(dǎo)線,制成直徑0. 25mm的定子等[1]。
靜電型電機早在電磁型電機發(fā)明前100年,即1750年即已誕生,但因材料及加工技術(shù)的制約而未能實用化,1988年用表面超微加工技術(shù)在硅片上制出靜電型超微型電機后,靜電型電機才有了廣泛應(yīng)用,目前超微型電機的研制主要是靜電型的。
靜電電機是利用兩個極板間電荷分布產(chǎn)生的吸引力和推斥力,從而把電能轉(zhuǎn)換成機械能,靜止電極稱為電機定子,而移動電極則稱為轉(zhuǎn)子。靜電型超微型電機主要有旋轉(zhuǎn)型和直線型兩類,國內(nèi)外研制較多的是旋轉(zhuǎn)型,又分為共振型(擺動型)和突極型兩種,圖l為共振型電機結(jié)構(gòu)示意圖,工作時定子(靜止電極)被依次激磁,轉(zhuǎn)子(移動電極)靠電荷吸力趨向定子相應(yīng)磁極,因而旋轉(zhuǎn)。共振型電機推力轉(zhuǎn)矩較大,速比達70—90,轉(zhuǎn)速可達700r/min,但負載跟著電機擺動較大。
靜電型超微型電機在功率和控制方面仍存在問題,摩擦是制約這種電機的壽命、效率的主要因素,目前國內(nèi)外研究開發(fā)的重點是研制摩擦小的新材料、新型結(jié)構(gòu)的靜電電機及其組裝技術(shù)。并光刻出軸承,用氫氟酸(hf)除去s102,圖2a~d完成電機轉(zhuǎn)子的加工與裝配,轉(zhuǎn)予支撐在基板上并繞軸承旋轉(zhuǎn),采用同樣方法制成定子,轉(zhuǎn)子配對如圖2e所示。
3超微型電機的制造技術(shù)
制造超微型電機的微細加工技術(shù)有多種,以80年代初期美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研制的滑塊連桿機構(gòu)為開始的半導(dǎo)體微細加工光刻技術(shù)為主流,80年代后期德國卡爾斯魯厄核研究中心開創(chuàng)的以同步軸射x射線深度光刻為核心的liga技術(shù)為后起之秀。
3.1微細加工光刻技術(shù)
在一塊多晶硅基板上采用過氧化法或汽相沉積等方法外延一層sioz,再在其上涂光致抗蝕劑,并按預(yù)先設(shè)計好的掩膜圖形,用x線或激光進行光刻制取微型構(gòu)件或組件,這種方法只限于硅材料,且構(gòu)件厚度只能達到幾微米,圖2為用這種方法制作超微型電機的工藝程序圖。
圖2a在多晶硅基板上附s102薄膜,光刻法蝕刻出一定深度的環(huán)槽。圖2b在圖2a基礎(chǔ)上再在s102表面附上多晶硅并光刻出轉(zhuǎn)子。圖2c在圖2b基礎(chǔ)上附上s102,并光刻出軸承孔。圖2d在圖2c基礎(chǔ)上再附上多晶硅并光刻出軸承,用hf出去sio2,圖2a-d完成電機轉(zhuǎn)子的加工與裝配,轉(zhuǎn)子支撐在基板上并繞軸承旋轉(zhuǎn),采用同樣方法制定釘子,轉(zhuǎn)子配對如圖2e所示
3.2 光刻電鑄(ltga)技術(shù)
由深層x射線光刻、電鑄成形及塑注成形工藝組成,主要工藝過程為制作用于x光刻的掩膜板;x光深光刻;光刻膠顯影;電鑄成模;光刻膠剝離;塑料模制作;塑料脫模成形,具體加工過程為,首先用丙烯酸酯等作為光致抗蝕劑涂于基板上將已刻好零件圖形的金屬掩膜蓋在基板上,并用x射線使抗蝕層爆光,然后顯影,將未受x光爆光的抗蝕層溶解,從而制成抗蝕層 |