【摘  要】介紹超微電機(jī)的概念、關(guān)鍵制作技術(shù)及超微電機(jī)的應(yīng)用、發(fā)展概況。

【敘  詞】／超微電機(jī)／超微技術(shù)應(yīng)用發(fā)展

1引言

    超微技術(shù)使人們從制造大型機(jī)械設(shè)備的工業(yè)時(shí)代轉(zhuǎn)入制造超微機(jī)電產(chǎn)品的微型技術(shù)時(shí)代，用這種技術(shù)制作的微型機(jī)械可進(jìn)入人體內(nèi)或極狹小的空間，廣泛用于醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天、生物工程、機(jī)電工程等領(lǐng)域。超微技術(shù)在微電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用引起國(guó)內(nèi)外的廣泛重視。

    本文介紹超微電機(jī)的概念、制作技術(shù)及電機(jī)的應(yīng)用、發(fā)展概況。

    制造大規(guī)模集成電路的半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)為研究開(kāi)發(fā)超微機(jī)電系統(tǒng)(Microelec-tromechanical Systems縮寫為MEMS)打下了技術(shù)基礎(chǔ)，MEMS體積小、重量輕。

    電動(dòng)機(jī)一般有電磁型和靜電型兩類，電磁式電機(jī)可用低電壓驅(qū)動(dòng)，易于利用電流量對(duì)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行控制，但由于其結(jié)構(gòu)上需采用產(chǎn)生電磁場(chǎng)的線圈，故難以達(dá)到極端小型化，這類電機(jī)及其傳動(dòng)裝置在工廠、辦公、家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域占主導(dǎo)地位；‘靜電型電機(jī)早在1750年就已發(fā)明，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于小型化，但在功率和控制方面尚存在許多難題，同時(shí)由于材料及加工技木的制約限制了它的發(fā)展，直到表面超微加工技術(shù)發(fā)明后，于1988年在硅片上制出超微靜電電機(jī)，靜電電機(jī)才重新被人們所重視。超微機(jī)電系統(tǒng)是人們借助于多種毫微電子技術(shù)和利用硅片技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)而制造出來(lái)的超微細(xì)機(jī)械，其動(dòng)力構(gòu)件即靜電電機(jī)，因而超微電機(jī)大多為靜電電機(jī)。

    靜電電機(jī)的原理是利用兩個(gè)極板間電荷分布產(chǎn)生的吸引力和推斥力而把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的，電機(jī)的定子為靜止電極，轉(zhuǎn)子為移動(dòng)電極，適當(dāng)變換兩個(gè)電極上的電荷，即能使轉(zhuǎn)子連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。靜電型超微電機(jī)主要有旋轉(zhuǎn)型和直線型兩種，旋轉(zhuǎn)型中又有共振型和突極型兩類。共振型靜電電機(jī)工作時(shí)電機(jī)定子磁極被依次激磁，在電荷吸引力作用下轉(zhuǎn)子趨向與定子相應(yīng)磁極靠攏而旋轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。與其它類型的靜電電機(jī)相比，同樣的外形尺寸共振型電機(jī)有較大的推力轉(zhuǎn)矩和速比，電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)700r/min，速比為70～90，其缺陷是負(fù)載擺動(dòng)較大。

    超微電機(jī)的制作要在潔凈的環(huán)境和在高倍顯微鏡下進(jìn)行，所用材料以硅為主，因?yàn)楣栀|(zhì)輕不生銹，彈性好，能適應(yīng)超微技術(shù)制作微米級(jí)構(gòu)件，其缺點(diǎn)是脆性大，摩擦系數(shù)大，影響超微電機(jī)的壽命、性能與效率。為克服這些缺點(diǎn)，在某些特定場(chǎng)合用其它材料來(lái)替代硅，如用聚酰亞胺等高分子材料或鎢、鉬、鎳、銅、金等金屬作結(jié)構(gòu)材料，或石英、鋯石、氧化鈦

壓電材料，或TiNi等形狀記憶合金作傳動(dòng)材料，或Si3N‘和金剛石狀碳膜等作潤(rùn)滑材料。

    用超微技術(shù)制作的電機(jī)主要是靜電電機(jī)，超微技術(shù)是一種在制造大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的微米級(jí)加工技術(shù)，目前正向超微細(xì)加工技術(shù)方向發(fā)展，采用量子級(jí)(O. lpm)以下的加工技術(shù)，最終可望達(dá)到納米級(jí)，甚至原子量級(jí)。

    制作超微電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾種：

    這是一種發(fā)展十分迅速且比較成熟的制作大規(guī)模集成電路的加工技術(shù)，該技術(shù)刻蝕深度只有數(shù)百納米，是一種平面加工技術(shù)，在超微電機(jī)中應(yīng)用較早，且比較普遍，但其僅限于制作以硅為材料的構(gòu)件。

    逮種技術(shù)稱為光刻電鑄技術(shù)(LIGA為L(zhǎng)ithographic Galvanoformung Abformung的縮寫），是由半導(dǎo)體光刻工藝派生出來(lái)的一種加工超微電機(jī)微型構(gòu)件的方法，德國(guó)卡爾斯魯厄核研究中心首先開(kāi)發(fā)了該技術(shù)。它由深層X(jué)射線光刻、電鑄成型及塑注成型工藝組成，主要工藝過(guò)程為：

    a．用于X光光刻掩膜版的制作。

    b．X光深光刻。

    c．光刻膠顯影。

    d．電鑄成模。

    e．光刻膠剝離。

    f．塑模制作。

    g．塑模脫模成型。

    LIGA技術(shù)適用于多種金屬、非金屬材料制作大縮比的超微細(xì)構(gòu)件，該技術(shù)使用波長(zhǎng)在0. 2～lnm之間的X光，可深刻蝕至幾百微米深度，刻線寬度小于十分之幾微米，是一種高深寬比的三維加工技術(shù)，但使用光源不易得到，可用紫外線曝光和反應(yīng)性離子蝕刻工藝代替。

    1983年開(kāi)發(fā)成功的“犧牲層”技術(shù)與半導(dǎo)體加工技術(shù)相結(jié)合形成了該技術(shù)，“犧牲層”是一層工藝過(guò)渡層，所用材料為SiO₂，表面超微加工技術(shù)就是在一塊多晶硅基板上用過(guò)氧化法或汽相沉積法外延一層SiO₂，再涂上光致抗蝕劑，按已設(shè)計(jì)好的掩膜圖形用X線或激光光刻，以制取超微電機(jī)的構(gòu)件。用該技術(shù)制作的突極型靜電電機(jī)外徑僅為l00ym．氣隙為1.5pm，定轉(zhuǎn)子厚度為2. 2m，其轉(zhuǎn)速為1 500r/min，電機(jī)所需電能由裝在電機(jī)側(cè)面的電容器供給。

    這是用小型精密金屬切削機(jī)床及電火花、線切割等加工手段制作毫米尺寸上下的超微電機(jī)構(gòu)件，屬三維立體加工，加工材料廣泛，但多是單件加工與裝配，費(fèi)用較高。

    超微電機(jī)的制作技術(shù)還涉及到電機(jī)的控制和能源制作技術(shù)、裝配技術(shù)等。

    機(jī)器的微型化不僅縮小了機(jī)器尺寸、節(jié)約材料與能源，而且微型機(jī)器是人類探索微觀領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的一種重要工具，作為微型機(jī)器的原動(dòng)力，超微電機(jī)的研制變得十分重要。國(guó)內(nèi)外在超微電機(jī)的研制開(kāi)發(fā)上已取得了一系列的成果。

    電磁式超微電機(jī)在超微電機(jī)領(lǐng)域所占比例較小，較典型的是日本東芝公司研制的超小型圓筒電機(jī)，電機(jī)殼體內(nèi)側(cè)裝配三個(gè)薄型線圈，內(nèi)部裝有稀土類****磁鐵轉(zhuǎn)子，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓2V，轉(zhuǎn)速為2×10⁵r/min。不久該公司又研制出目前世界上最小的電磁式超微電機(jī)，該電機(jī)為軸向間隔型同步電機(jī)，電機(jī)直徑0. 8mm，重量4×10^-6kg，電源電壓1.7V，轉(zhuǎn)速為60～10 000r/min，可通過(guò)電源頻率任意調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為5×10^-8Nm，輸出功率約為小汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率的一億分之一，電機(jī)體積不到lmm³。該電機(jī)采用了縱向配置線圈和磁鐵的軸向間隔結(jié)構(gòu)來(lái)減小直徑，而不是在線圈的外側(cè)周圍配置磁鐵，其線圈采用了錄像磁頭所用的繞線技術(shù)，在直徑為0. 1mm的鐵心上繞20圈0. 03mm的導(dǎo)線，制成直徑僅0. 25mm的線圈，定子上嵌有三組線圈，內(nèi)含磁鐵的電機(jī)轉(zhuǎn)子則由一個(gè)軸套支承其轉(zhuǎn)動(dòng)。

    靜電電機(jī)在超微電機(jī)領(lǐng)域所占比例較大，此類電機(jī)國(guó)內(nèi)外研制較多。

    1981年，美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司研制成功電子掃描隧道顯微鏡，為超微技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。1988年加州大學(xué)研制成功以靜電為動(dòng)力的起微電機(jī)，電機(jī)厚度為1～1.5pm，直徑100μm，整個(gè)電機(jī)設(shè)計(jì)在一塊集成電路芯片上，它具有4、8和12個(gè)轉(zhuǎn)子極和6、12、24個(gè)定子極，制造材料為磷酸硅。威斯康星州大學(xué)采用微電路方法用鎳制造出的超微電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑為150μm，電機(jī)厚度僅為l00μm，轉(zhuǎn)速為8 000r/min，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由一個(gè)中心齒輪和4個(gè)柱形電極構(gòu)成，通電時(shí)中心齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)周圍減速小齒輪向外輸出動(dòng)力，減速小齒輪直徑分別為70、100、150μm。美國(guó)科學(xué)財(cái)團(tuán)把靜電電機(jī)及其微型傳動(dòng)裝置作為其經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目的一個(gè)方面，在超微靜電電機(jī)、諧波傳動(dòng)微型電機(jī)、磁驅(qū)動(dòng)微型電機(jī)等方面已取得較大的進(jìn)展。

    日本制訂了超微技術(shù)10年發(fā)展規(guī)劃，依靠其雄厚的大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路制造技術(shù)大力發(fā)展超微技術(shù)，重點(diǎn)放在開(kāi)發(fā)微型機(jī)械、微型傳感器及控制技術(shù)上。松下電器產(chǎn)業(yè)公司開(kāi)發(fā)直徑1. 4mm，長(zhǎng)l0mm，轉(zhuǎn)速為100～160r/min的超微電機(jī)。東京Matsushita研究所在半導(dǎo)體組織上采用薄膜工藝制成直徑1mm電機(jī)，轉(zhuǎn)子用高強(qiáng)度陶瓷制成，氣隙僅數(shù)微米，轉(zhuǎn)速100～140r/min，能輸出較大的力矩。

    德國(guó)卡爾斯魯厄核研究中心實(shí)驗(yàn)室制成的超微電機(jī)轉(zhuǎn)子直弳只有0. 4mm，它是用LIGA技術(shù)制成的。梅因茲微技術(shù)研究所制成的超微電機(jī)直徑2mm，轉(zhuǎn)速6 000r/min。德國(guó)制定了超微機(jī)電系統(tǒng)援助計(jì)劃，重點(diǎn)發(fā)展微型信息系統(tǒng)，主要有傳感器、驅(qū)動(dòng)裝置等。

    我國(guó)對(duì)超微技術(shù)及其應(yīng)用的研究也極為重視，將其列入“八五”計(jì)劃，目前研究重點(diǎn)為IC技術(shù)、LIGA技術(shù)、超精密機(jī)械加工技術(shù)在微型機(jī)械制造中的應(yīng)用以及微型機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、摩擦學(xué)等基礎(chǔ)理論，在超微電機(jī)的研制上已取得較大成就，主要有中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所微機(jī)械研究室研制出一種采用壓電陶瓷作換能元件的超微型電機(jī)，該電機(jī)呈圓柱形，直徑3mm，長(zhǎng)5mm，可在300～3 000r/min內(nèi)雙向平滑無(wú)級(jí)調(diào)速，并獲得明顯的功率輸出，電機(jī)****輸出扭距8X10^-8Nm，****輸出功率1.0×10-5W，l00h的壽命實(shí)驗(yàn)表明，電機(jī)組件無(wú)明顯破損和失效現(xiàn)象。清華大學(xué)微電子研究所研制出轉(zhuǎn)子直徑僅有l(wèi)00μm的微型靜電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速每分鐘高達(dá)幾萬(wàn)轉(zhuǎn)，其獨(dú)到之處在于電動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)速傳感器集成于一體，這些成就表明我國(guó)在超微電機(jī)領(lǐng)域已形成自己的特色，在微型機(jī)械研究的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占有了一席之地。

    超微電機(jī)作為微型機(jī)槭的動(dòng)力構(gòu)件，在各個(gè)領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。

    超微電機(jī)用在一種集電子發(fā)射器、自動(dòng)記錄儀及電腦等于一體的超小型機(jī)器上，這種機(jī)器可進(jìn)入人的腸胃、血管。超微電機(jī)還可用作縫合神經(jīng)和眼球手術(shù)用超小型機(jī)械手的電動(dòng)機(jī)等。

    超微電機(jī)可用在帶攝像裝置進(jìn)入衛(wèi)星、火箭或宇航飛機(jī)內(nèi)檢查故障的機(jī)器人上。

    超微電機(jī)可用作微型空中機(jī)器人的動(dòng)力構(gòu)件，這種機(jī)器人裝有紅外線感應(yīng)器，能完成規(guī)定的偵察任務(wù)。

    超微電機(jī)作為微型機(jī)械的動(dòng)力，它在各種纖細(xì)復(fù)雜的微環(huán)境里的應(yīng)用有著廣闊的前景。隨著超微技術(shù)的發(fā)展，超微電機(jī)的研制開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用將越來(lái)越被人們所重視，它在光學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、機(jī)電工程等領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。目前超微電機(jī)已成為世界各國(guó)的重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，研究重點(diǎn)是能改善摩擦條件的新材料及新型結(jié)構(gòu)超微電機(jī)。

   超微技術(shù)作為新興的高科技技術(shù)廣泛用于光學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物工程、微型機(jī)器人、微型汽車、微型儀器儀表及宇航、軍事領(lǐng)域等，作為動(dòng)力構(gòu)件的超微電機(jī)則是超微技術(shù)在微電機(jī)領(lǐng)域的****應(yīng)用動(dòng)向，它是超微技術(shù)在其他領(lǐng)域應(yīng)用的前導(dǎo)，因而超微電機(jī)的研制變得十分重要。超微技術(shù)預(yù)計(jì)將成為21世紀(jì)高新技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，其應(yīng)用領(lǐng)蜮將越來(lái)越廣泛，這就要求超微電機(jī)的研制開(kāi)發(fā)要超前一步，從而提供必要的動(dòng)力構(gòu)件，我國(guó)的微電機(jī)行業(yè)科研院所應(yīng)重視超微技術(shù)在微電機(jī)中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，使超微電機(jī)成為微電機(jī)的新分支學(xué)科。