【摘  要】介绍超微电机的概念、关键制作技术及超微电机的应用、发展概况。

【叙  词】／超微电机／超微技术应用发展

1引言

    超微技术使人们从制造大型机械设备的工业时代转入制造超微机电产品的微型技术时代，用这种技术制作的微型机械可进入人体内或极狭小的空间，广泛用于医疗卫生、航空航天、生物工程、机电工程等领域。超微技术在微电机领域的应用引起国内外的广泛重视。

    本文介绍超微电机的概念、制作技术及电机的应用、发展概况。

    制造大规模集成电路的半导体微细加工技术为研究开发超微机电系统(Microelec-tromechanical Systems缩写为MEMS)打下了技术基础，MEMS体积小、重量轻。

    电动机一般有电磁型和静电型两类，电磁式电机可用低电压驱动，易于利用电流量对驱动力进行控制，但由于其结构上需采用产生电磁场的线圈，故难以达到极端小型化，这类电机及其传动装置在工厂、办公、家庭自动化等领域占主导地位；‘静电型电机早在1750年就已发明，其结构简单、易于小型化，但在功率和控制方面尚存在许多难题，同时由于材料及加工技木的制约限制了它的发展，直到表面超微加工技术发明后，于1988年在硅片上制出超微静电电机，静电电机才重新被人们所重视。超微机电系统是人们借助于多种毫微电子技术和利用硅片技术的优点而制造出来的超微细机械，其动力构件即静电电机，因而超微电机大多为静电电机。

    静电电机的原理是利用两个极板间电荷分布产生的吸引力和推斥力而把电能转换为机械能的，电机的定子为静止电极，转子为移动电极，适当变换两个电极上的电荷，即能使转子连续运转。静电型超微电机主要有旋转型和直线型两种，旋转型中又有共振型和突极型两类。共振型静电电机工作时电机定子磁极被依次激磁，在电荷吸引力作用下转子趋向与定子相应磁极靠拢而旋转，其结构如附图所示。与其它类型的静电电机相比，同样的外形尺寸共振型电机有较大的推力转矩和速比，电机转速可达700r/min，速比为70～90，其缺陷是负载摆动较大。

    超微电机的制作要在洁净的环境和在高倍显微镜下进行，所用材料以硅为主，因为硅质轻不生锈，弹性好，能适应超微技术制作微米级构件，其缺点是脆性大，摩擦系数大，影响超微电机的寿命、性能与效率。为克服这些缺点，在某些特定场合用其它材料来替代硅，如用聚酰亚胺等高分子材料或钨、钼、镍、铜、金等金属作结构材料，或石英、锆石、氧化钛

压电材料，或TiNi等形状记忆合金作传动材料，或Si3N‘和金刚石状碳膜等作润滑材料。

    用超微技术制作的电机主要是静电电机，超微技术是一种在制造大规模、超大规模集成电路的半导体微细加工技术基础上发展起来的微米级加工技术，目前正向超微细加工技术方向发展，采用量子级(O. lpm)以下的加工技术，最终可望达到纳米级，甚至原子量级。

    制作超微电机的关键技术主要有以下几种：

    这是一种发展十分迅速且比较成熟的制作大规模集成电路的加工技术，该技术刻蚀深度只有数百纳米，是一种平面加工技术，在超微电机中应用较早，且比较普遍，但其仅限于制作以硅为材料的构件。

    逮种技术称为光刻电铸技术(LIGA为Lithographic Galvanoformung Abformung的缩写），是由半导体光刻工艺派生出来的一种加工超微电机微型构件的方法，德国卡尔斯鲁厄核研究中心首先开发了该技术。它由深层X射线光刻、电铸成型及塑注成型工艺组成，主要工艺过程为：

    a．用于X光光刻掩膜版的制作。

    b．X光深光刻。

    c．光刻胶显影。

    d．电铸成模。

    e．光刻胶剥离。

    f．塑模制作。

    g．塑模脱模成型。

    LIGA技术适用于多种金属、非金属材料制作大缩比的超微细构件，该技术使用波长在0. 2～lnm之间的X光，可深刻蚀至几百微米深度，刻线宽度小于十分之几微米，是一种高深宽比的三维加工技术，但使用光源不易得到，可用紫外线曝光和反应性离子蚀刻工艺代替。

    1983年开发成功的“牺牲层”技术与半导体加工技术相结合形成了该技术，“牺牲层”是一层工艺过渡层，所用材料为SiO₂，表面超微加工技术就是在一块多晶硅基板上用过氧化法或汽相沉积法外延一层SiO₂，再涂上光致抗蚀剂，按已设计好的掩膜图形用X线或激光光刻，以制取超微电机的构件。用该技术制作的突极型静电电机外径仅为l00ym．气隙为1.5pm，定转子厚度为2. 2m，其转速为1 500r/min，电机所需电能由装在电机侧面的电容器供给。

    这是用小型精密金属切削机床及电火花、线切割等加工手段制作毫米尺寸上下的超微电机构件，属三维立体加工，加工材料广泛，但多是单件加工与装配，费用较高。

    超微电机的制作技术还涉及到电机的控制和能源制作技术、装配技术等。

    机器的微型化不仅缩小了机器尺寸、节约材料与能源，而且微型机器是人类探索微观领域科学技术的一种重要工具，作为微型机器的原动力，超微电机的研制变得十分重要。国内外在超微电机的研制开发上已取得了一系列的成果。

    电磁式超微电机在超微电机领域所占比例较小，较典型的是日本东芝公司研制的超小型圆筒电机，电机壳体内侧装配三个薄型线圈，内部装有稀土类****磁铁转子，电机驱动电压2V，转速为2×10⁵r/min。不久该公司又研制出目前世界上最小的电磁式超微电机，该电机为轴向间隔型同步电机，电机直径0. 8mm，重量4×10^-6kg，电源电压1.7V，转速为60～10 000r/min，可通过电源频率任意调节转速，电机转矩为5×10^-8Nm，输出功率约为小汽车发动机功率的一亿分之一，电机体积不到lmm³。该电机采用了纵向配置线圈和磁铁的轴向间隔结构来减小直径，而不是在线圈的外侧周围配置磁铁，其线圈采用了录像磁头所用的绕线技术，在直径为0. 1mm的铁心上绕20圈0. 03mm的导线，制成直径仅0. 25mm的线圈，定子上嵌有三组线圈，内含磁铁的电机转子则由一个轴套支承其转动。

    静电电机在超微电机领域所占比例较大，此类电机国内外研制较多。

    1981年，美国国际商用机器公司研制成功电子扫描隧道显微镜，为超微技术奠定了基础。1988年加州大学研制成功以静电为动力的起微电机，电机厚度为1～1.5pm，直径100μm，整个电机设计在一块集成电路芯片上，它具有4、8和12个转子极和6、12、24个定子极，制造材料为磷酸硅。威斯康星州大学采用微电路方法用镍制造出的超微电机转子直径为150μm，电机厚度仅为l00μm，转速为8 000r/min，其结构简单，由一个中心齿轮和4个柱形电极构成，通电时中心齿轮转动带动周围减速小齿轮向外输出动力，减速小齿轮直径分别为70、100、150μm。美国科学财团把静电电机及其微型传动装置作为其经费资助项目的一个方面，在超微静电电机、谐波传动微型电机、磁驱动微型电机等方面已取得较大的进展。

    日本制订了超微技术10年发展规划，依靠其雄厚的大规模、超大规模集成电路制造技术大力发展超微技术，重点放在开发微型机械、微型传感器及控制技术上。松下电器产业公司开发直径1. 4mm，长l0mm，转速为100～160r/min的超微电机。东京Matsushita研究所在半导体组织上采用薄膜工艺制成直径1mm电机，转子用高强度陶瓷制成，气隙仅数微米，转速100～140r/min，能输出较大的力矩。

    德国卡尔斯鲁厄核研究中心实验室制成的超微电机转子直弪只有0. 4mm，它是用LIGA技术制成的。梅因兹微技术研究所制成的超微电机直径2mm，转速6 000r/min。德国制定了超微机电系统援助计划，重点发展微型信息系统，主要有传感器、驱动装置等。

    我国对超微技术及其应用的研究也极为重视，将其列入“八五”计划，目前研究重点为IC技术、LIGA技术、超精密机械加工技术在微型机械制造中的应用以及微型机械运动学、动力学、摩擦学等基础理论，在超微电机的研制上已取得较大成就，主要有中科院长春光学精密机械研究所微机械研究室研制出一种采用压电陶瓷作换能元件的超微型电机，该电机呈圆柱形，直径3mm，长5mm，可在300～3 000r/min内双向平滑无级调速，并获得明显的功率输出，电机****输出扭距8X10^-8Nm，****输出功率1.0×10-5W，l00h的寿命实验表明，电机组件无明显破损和失效现象。清华大学微电子研究所研制出转子直径仅有l00μm的微型静电电动机转速每分钟高达几万转，其独到之处在于电动机与转速传感器集成于一体，这些成就表明我国在超微电机领域已形成自己的特色，在微型机械研究的国际竞争中占有了一席之地。

    超微电机作为微型机槭的动力构件，在各个领域有了广泛的应用。

    超微电机用在一种集电子发射器、自动记录仪及电脑等于一体的超小型机器上，这种机器可进入人的肠胃、血管。超微电机还可用作缝合神经和眼球手术用超小型机械手的电动机等。

    超微电机可用在带摄像装置进入卫星、火箭或宇航飞机内检查故障的机器人上。

    超微电机可用作微型空中机器人的动力构件，这种机器人装有红外线感应器，能完成规定的侦察任务。

    超微电机作为微型机械的动力，它在各种纤细复杂的微环境里的应用有着广阔的前景。随着超微技术的发展，超微电机的研制开发及其应用将越来越被人们所重视，它在光学、医学、生物学、机电工程等领域的应用将越来越广泛。目前超微电机已成为世界各国的重点研究开发项目，研究重点是能改善摩擦条件的新材料及新型结构超微电机。

   超微技术作为新兴的高科技技术广泛用于光学、医学、生物工程、微型机器人、微型汽车、微型仪器仪表及宇航、军事领域等，作为动力构件的超微电机则是超微技术在微电机领域的****应用动向，它是超微技术在其他领域应用的前导，因而超微电机的研制变得十分重要。超微技术预计将成为21世纪高新技术领域的一个重要分支，其应用领蜮将越来越广泛，这就要求超微电机的研制开发要超前一步，从而提供必要的动力构件，我国的微电机行业科研院所应重视超微技术在微电机中的开发应用，使超微电机成为微电机的新分支学科。