微小型超聲波電機(jī)的制造工藝
摘要：敘述了各種微小型超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理、工藝方法利性能指標(biāo)。詳細(xì)討論了電機(jī)制造工藝中應(yīng)注意的一些關(guān)鍵問(wèn)題，并通過(guò)對(duì)電機(jī)的兩相阻抗特性的對(duì)比，分析了加工工藝、邊界條件以及裝配安裝使用等制造工藝對(duì)不同尺寸電機(jī)精度的影響。
關(guān)鍵詞：微小型超聲波電機(jī)；制造工藝：阻抗特性
O引言
1980年日本學(xué)者指田年生成功地制造出第一臺(tái)可以滿足實(shí)際使用要求的超聲波電機(jī)，近30年來(lái)各種類型和結(jié)構(gòu)的超聲波電機(jī)不斷地被研制，其性能指標(biāo)也越來(lái)越接近實(shí)際工程應(yīng)用的需要。超聲波電機(jī)發(fā)展也經(jīng)歷了從大到小，從小型到微型的一個(gè)過(guò)程。隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMs)開(kāi)發(fā)的深入，作為微電子機(jī)械系統(tǒng)中關(guān)鍵執(zhí)行部件的微電機(jī)的研制越來(lái)越受到人們的關(guān)注。超聲波電機(jī)不會(huì)因尺寸的減小而功率急劇下降、轉(zhuǎn)換效率降低，具有功率體積比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，且更能滿足MEMs對(duì)電機(jī)的輸出力矩要求的特點(diǎn)，使其成為****發(fā)展?jié)摿Φ尿?qū)動(dòng)器。事實(shí)證明，微型超聲波電機(jī)在航空航天、半導(dǎo)體工業(yè)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域已經(jīng)起到了電磁電機(jī)、靜電電機(jī)等不司替代的作用㈣。
1微小型超聲波電機(jī)的類型
目前，國(guó)內(nèi)外微小型超聲波電機(jī)主要有三類：在硅基體上沉積薄膜的超聲波電機(jī)、在金屬上沉積薄膜的超聲波和陶瓷塊體結(jié)構(gòu)的超聲波電機(jī)。1992年麻省理工學(xué)院Anita M·Flynn等在2 2㈣×2 2mm的氮化硅薄膜上沉積20nm厚的Ⅲ層，然后沉積460nm的Pt層作為底層電極，再用溶膠一凝膠法沉淀PzT薄膜并覆蓋金膜作為頂層電極，制作出微型行
波超聲波電機(jī)，定子的外徑為2㈣，內(nèi)徑為l 2 mm。平面內(nèi)的電極分區(qū)如圖1所示。每片電極激發(fā)出l腿波長(zhǎng)的駐波，通過(guò)施加圖1所示相位的激勵(lì)電壓，在薄膜面內(nèi)可以激發(fā)出兩個(gè)波長(zhǎng)
的行波，從而推動(dòng)放置在薄膜面上的透鏡轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為100～3【)()r／min。Ic工藝制造的微型電機(jī)尺寸小，可以把電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制電路很好的集成起來(lái)，但工藝過(guò)程較復(fù)雜。用
薄膜定子時(shí)電場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合問(wèn)題給理論分析帶來(lái)了很大的難度，電機(jī)的輸出性能很難得以保證。
薄膜壓電陶瓷電機(jī)是在金屬基體的表面沉積有壓電薄膜的另一類固態(tài)微超聲波電機(jī)，日本對(duì)微小型超聲波電機(jī)的研究和應(yīng)用始終處于世界****地位。1998年?yáng)|京大學(xué)T|akeshi Morita利用水熱法在金屬體表面沉積壓電薄膜的方法研制出種高性能的微型超聲電機(jī)。其壓電振子采用PzT薄膜制成，并在薄膜的外表面覆蓋的四個(gè)電極，結(jié)構(gòu)如圖2相差90。的交變電壓，中間接地。利用PzT的d3I效應(yīng)，相對(duì)的兩部分陶瓷共同激發(fā)出金屬柱體的一個(gè)方向的彎振。兩個(gè)相位和空間上都相差90。的彎振的合成
使定子形成搖頭運(yùn)動(dòng)，定予端面的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。電機(jī)定子直徑2 4 mln，長(zhǎng)10mm，在電壓峰一峰值為15 v下的****轉(zhuǎn)速為880 r／nlln，
力矩達(dá)7 H N·m。2000年nkeshi Morita對(duì)這種電機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步微型化，采用相同的工藝制造出直徑1 4 。mm，長(zhǎng)5 mm當(dāng)施加20V。。和5 3mN預(yù)壓力的實(shí)驗(yàn)條
件下，輸出力矩為0 67 uN·m的微型電機(jī)。
陶瓷塊體結(jié)構(gòu)的超聲波微小型電機(jī)是這幾種類型中輸出院下人工智能實(shí)驗(yàn)室研制的贏徑8mm、長(zhǎng)3mm的行波電機(jī)，工業(yè)公司推出的直徑11mm、長(zhǎng)2㈣、并將壓電陶瓷縱向振機(jī)，其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為70rnN·m。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)周鐵英教授在微型超聲波電機(jī)的研究方面處于****地位。2001年其課題組成功研制出直徑為1mm、長(zhǎng)5mm的微型超聲波電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。“”在壓電陶瓷柱的頂部粘結(jié)定子I蝎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使整個(gè)電機(jī)加工工藝_人大簡(jiǎn)化。工作時(shí)，陶瓷柱一端固支，激發(fā)出壓電陶瓷柱相互垂直的兩個(gè)固一階彎曲振動(dòng)，
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