超微電機發展概況
楊大偉 （江蘇漣水電訊電機廠）
【摘 要】介紹超微 電機的概念、關鍵制作技術及超微電機的應用、發展概況。 【敘 詞】／超微電機／超微技術應用發展
1引言
超微技術使人們從制造大型機械設備的工業時代轉入制造超微機電產品的微型技術時代，用這種技術制作的微型機械可進入人體內或極狹小的空間，廣泛用于醫療衛生、航空航天、生物工程、機電工程等領域。超微技術在微電機領域的應用引起國內外的廣泛重視。
本文介紹超微電機的概念、制作技術及電機的應用、發展概況。
2超微電機及其制作技術
制造大規模集成電路的半導體微細加工技術為研究開發超微機電系統(Microelec-tromechanical Systems縮寫為MEMS)打下了技術基礎，MEMS體積小、重量輕。
2.1超微電機概念
電動機一般有電磁型和靜電型兩類，電磁式電機可用低電壓驅動，易于利用電流量對驅動力進行控制，但由于其結構上需采用產生電磁場的線圈，故難以達到極端小型化，這類電機及其傳動裝置在工廠、辦公、家庭自動化等領域占主導地位；‘靜電型電機早在1750年就已發明，其結構簡單、易于小型化，但在功率和控制方面尚存在許多難題，同時由于材料及加工技木的制約限制了它的發展，直到表面超微加工技術發明后，于1988年在硅片上制出超微靜電電機，靜電電機才重新被人們所重視。超微機電系統是人們借助于多種毫微電子技術和利用硅片技術的優點而制造出來的超微細機械，其動力構件即靜電電機，因而超微電機大多為靜電電機。
靜電電機的原理是利用兩個極板間電荷分布產生的吸引力和推斥力而把電能轉換為機械能的，電機的定子為靜止電極，轉子為移動電極，適當變換兩個電極上的電荷，即能使轉子連續運轉。靜電型超微電機主要有旋轉型和直線型兩種，旋轉型中又有共振型和突極型兩類。共振型靜電電機工作時電機定子磁極被依次激磁，在電荷吸引力作用下轉子趨向與定子相應磁極靠攏而旋轉，其結構如附圖所示。與其它類型的靜電電機相比，同樣的外形尺寸共振型電機有較大的推力轉矩和速比，電機轉速可達700r/min，速比為70～90，其缺陷是負載擺動較大。
2.2超微電機關鍵制作技術
超微電機的制作要在潔凈的環境和在高倍顯微鏡下進行，所用材料以硅為主，因為硅質輕不生銹，彈性好，能適應超微技術制作微米級構件，其缺點是脆性大，摩擦系數大，影響超微電機的壽命、性能與效率。為克服這些缺點，在某些特定場合用其它材料來替代硅，如用聚酰亞胺等高分子材料或鎢、鉬、鎳、銅、金等金屬作結構材料，或石英、鋯石、氧化鈦
壓電材料，或TiNi等形狀記憶合金作傳動材料，或Si3N‘和金剛石狀碳膜等作潤滑材料。
用超微技術制作的電機主要是靜電電機，超微技術是一種在制造大規模、超大規模集成電路的半導體微細加工技術基礎上發展起來的微米級加工技術，目前正向超微細加工技術方向發展，采用量子級(O. lpm)以下的加工技術，最終可望達到納米級，甚至原子量級。
制作超微電機的關鍵技術主要有以下幾種：
2.2.1 IC技術
這是一種發展十分迅速且比較成熟的制作大規模集成電路的加工技術，該技術刻蝕深度只有數百納米，是一種平面加工技術，在超微電機中應用較早，且比較普遍，但其僅限于制作以硅為材料的構件。
2.2.2 LIGA技術
逮種技術稱為光刻電鑄技術(LIGA為Lithographic Galvanoformung Abformung的縮寫），是由半導體光刻工藝派生出來的一種加工超微電機微型構件的方法，德國卡爾斯魯厄核研究中心首先開發了該技術。它由深層X射線光刻、電鑄成型及塑注成型工藝組成，主要工藝過程為：
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技術適用于多種金屬、非金屬材料制作大縮比的超微細構件，該技術使用波長在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，但使用光源不易得到，可用紫外線曝光和反應性離子蝕刻工藝代替。
2.2.3表面超微加工技術
1983年開發成功的“犧牲層”技術與半導體加工技術相結合形成了該技術，“犧牲層”是一層工藝過渡層，所用材料為SiO2，表面超微加工技術就是在一塊多晶硅基板上用過氧化法或汽相沉積法外延一層SiO2，再涂上光致抗蝕劑，按已設計好的掩膜圖形用X線或激光光刻，以制取超微電機的構件。用該技術制作的突極型靜電電機外徑僅為l00ym．氣隙為1.5pm，定轉子厚度為2. 2m，其轉速為1 500r/min，電機所需電能由裝在電機側面的電容器供給。
2.2.4精密機械加工和放電加工技術
這是用小型精密金屬切削機床及電火花、線切割等加工手段制作毫米尺寸上下的超微電機構件，屬三維立體加工，加工材料廣泛，但多是單件加工與裝配，費用較高。
超微電機的制作技術還涉及到電機的控制和能源制作技術、裝配技術等。
3超微電機發展概況
機器的微型化不僅縮小了機器尺寸、節約材料與能源，而且微型機器是人類探索微觀領域科學技術的一種重要工具，作為微型機器的原動力，超微電機的研制變得十分重要。國內外在超微電機的研制開發上已取得了一系列的成果。
電磁式超微電機在超微電機領域所占比例較小，較典型的是日本東芝公司研制的超小型圓筒電機，電機殼體內側裝配三個薄型線圈，內部裝有稀土類****磁鐵轉子，電機驅動電壓2V，轉速為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，該電機為軸向間隔型同步電機，電機直徑0. 8mm，重量4×10-6kg，電源電壓1.7V，轉速為60～10 000r/min，可通過電源頻率任意調節轉速，電機轉矩為5×10-8Nm，輸出功率約為小汽車發動機功率的一億分之一，電機體積不到lmm3。該電機采用了縱向配置線圈和磁鐵的軸向間隔結構來減小直徑，而不是在線圈的外側周圍配置磁鐵，其線圈采用了錄像磁頭所用的繞線技術，在直徑為0. 1mm的鐵心上繞20圈0. 03mm的導線，制成直徑僅0. 25mm的線圈，定子上嵌有三組線圈，內含磁鐵的電機轉子則由一個軸套支承其轉動。
靜電電機在超微電機領域所占比例較大，此類電機國內外研制較多。
1981年，美國國際商用機器公司研制成功電子掃描隧道顯微鏡，為超微技術奠定了基礎。1988年加州大學研制成功以靜電為動力的起微電機，電機厚度為1～1.5pm，直徑100μm，整個電機設計在一塊集成電路芯片上，它具有4、8和12個轉子極和6、12、24個定子極，制造材料為磷酸硅。威斯康星州大學采用微電路方法用鎳制造出的超微電機轉子直徑為150μm，電機厚度僅為l00μm，轉速為8 000r/min，其結構簡單，由一個中心齒輪和4個柱形電極構成，通電時中心齒輪轉動帶動周圍減速小齒輪向外輸出動力，減速小齒輪直徑分別為70、100、150μm。美國科學財團把靜電電機及其微型傳動裝置作為其經費資助項目的一個方面，在超微靜電電機、諧波傳動微型電機、磁驅動微型電機等方面已取得較大的進展。
日本制訂了超微技術10年發展規劃，依靠其雄厚的大規模、超大規模集成電路制造技術大力發展超微技術，重點放在開發微型機械、微型傳感器及控制技術上。松下電器產業公司開發直徑1. 4mm，長l0mm，轉速為100～160r/min的超微電機。東京Matsushita研究所在半導體組織上采用薄膜工藝制成直徑1mm電機，轉子用高強度陶瓷制成，氣隙僅數微米，轉速100～140r/min，能輸出較大的力矩。
德國卡爾斯魯厄核研究中心實驗室制成的超微電機轉子直弳只有0. 4mm，它是用LIGA技術制成的。梅因茲微技術研究所制成的超微電機直徑2mm，轉速6 000r/min。德國制定了超微機電系統援助計劃，重點發展微型信息系統，主要有傳感器、驅動裝置等。
我國對超微技術及其應用的研究也極為重視，將其列入“八五”計劃，目前研究重點為IC技術、LIGA技術、超精密機械加工技術在微型機械制造中的應用以及微型機械運動學、動力學、摩擦學等基礎理論，在超微電機的研制上已取得較大成就，主要有中科院長春光學精密機械研究所微機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，該電機呈圓柱形，直徑3mm，長5mm，可在300～3 000r/min內雙向平滑無級調速，并獲得明顯的功率輸出，電機****輸出扭距8X10-8Nm，****輸出功率1.0×10-5W，l00h的壽命實驗表明，電機組件無明顯破損和失效現象。清華大學微電子研究所研制出轉子直徑僅有l00μm的微型靜電電動機轉速每分鐘高達幾萬轉，其獨到之處在于電動機與轉速傳感器集成于一體，這些成就表明我國在超微電機領域已形成自己的特色，在微型機械研究的國際競爭中占有了一席之地。
4超微電機的應用及前景展望
超微電機作為微型機槭的動力構件，在各個領域有了廣泛的應用。
4.1醫療領域
超微電機用在一種集電子發射器、自動記錄儀及電腦等于一體的超小型機器上，這種機器可進入人的腸胃、血管。超微電機還可用作縫合神經和眼球手術用超小型機械手的電動機等。
4.2航天航空領域
超微電機可用在帶攝像裝置進入衛星、火箭或宇航飛機內檢查故障的機器人上。
4.3軍事領域
超微電機可用作微型空中機器人的動力構件，這種機器人裝有紅外線感應器，能完成規定的偵察任務。
超微電機作為微型機械的動力，它在各種纖細復雜的微環境里的應用有著廣闊的前景。隨著超微技術的發展，超微電機的研制開發及其應用將越來越被人們所重視，它在光學、醫學、生物學、機電工程等領域的應用將越來越廣泛。目前超微電機已成為世界各國的重點研究開發項目，研究重點是能改善摩擦條件的新材料及新型結構超微電機。
5結 語
超微技術作為新興的高科技技術廣泛用于光學、醫學、生物工程、微型機器人、微型汽車、微型儀器儀表及宇航、軍事領域等，作為動力構件的超微電機則是超微技術在微電機領域的****應用動向，它是超微技術在其他領域應用的前導，因而超微電機的研制變得十分重要。超微技術預計將成為21世紀高新技術領域的一個重要分支，其應用領蜮將越來越廣泛，這就要求超微電機的研制開發要超前一步，從而提供必要的動力構件，我國的微電機行業科研院所應重視超微技術在微電機中的開發應用，使超微電機成為微電機的新分支學科。 |
