一種靜電力驅動的微型超聲電機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于超聲電機技術領域，尤其是一種基于靜電力激發(fā)結構體的超聲振動的微型超聲電機。
【背景技術】
[0002]與傳統(tǒng)的電磁電機相比，尤其是在小尺寸(毫米-厘米)范圍中，超聲電機已經顯示了許多獨特的優(yōu)點，諸如相對高的功率密度，大的驅動力，和相對高的效率。傳統(tǒng)的電磁電機在幾個毫米量級尺寸的制造方面已變得很困難，而且它的效率在幾個毫米尺寸時只剩下百分之幾(〈8% )，因為它缺少足夠強的磁場。超聲電機利用結構體(定子)的超聲振動和介面摩擦驅動轉子(動子)運動，其效率基本與尺寸無關，也沒有磁場問題。超聲電機即使在毫米尺寸，也能維持低速和大力矩的特征。作為精密驅動元件，超聲電機被應用于一些高新技術產品諸如手機，醫(yī)學成像系統(tǒng)和其它微型醫(yī)用設備的關鍵元件。許多新的驅動技術，諸如音圈電機、壓電驅動器、超聲電機等，已有了快速發(fā)展，并在許多領域里獲得成功應用。在這些微型驅動技術中，超聲電機在運動行程、驅動力、驅動精度和功率消耗等方面已顯示出明顯的優(yōu)越性。
[0003]利用結構體的高頻振動和介面摩擦來輸出運動和力的思想在上世紀60年代被提出。日本的Toshiiku Sashida于上世紀80年代初提出旋轉型行波超聲電機(美國專利US4562374A)，此類超聲電機具有較大的力矩和較低的轉速，被大量應用于照相機中驅動鏡頭運動實現(xiàn)自動聚焦。日本精工公司(Seiko)在1996年研制出一種直徑為8mm的旋轉型駐波超聲電機，并用于手表的振動報時(A.1ino, K.Suzuki, M.Kasuga, M.Suzuki, T.Yamanaka.Development of a self-oscillating ultrasonic micro-motor and its applicat1nto a watch.Ultrasonics 38，54—59，2000.)。精工公司通過進一步改進結構縮小尺寸，研制出直徑為4.5mm，厚度為2.5mm的超聲電機，并將其應用于手表中驅動日歷，使機構簡化。以上這些超聲電機都是利用壓電陶瓷激發(fā)定子的超聲振動，制備過程中需要用環(huán)氧樹脂將壓電陶瓷與金屬結構體粘接在一起而形成定子，難以進一步微型化，且難以保證粘接的質量一致性。
[0004]利用微加工的方法在硅片上制備微型超聲電機有可能使電機進一步微型化。G.-A.Racine等人利用娃微加工的方法制備了超聲微電機[G.-A.Racine, R.Luthier, andN.F.de Rooij，Hybrid ultrasonic micromachined motors,Proceedings of MicroElectro Mechanical Systems，1993.]，在娃膜片(Si，厚度 9.2μπι) —側淀積了氧化鋅薄膜材料(ZnO film,厚度4.5μπι)，ΖηΟ/Si復合膜片在電壓作用下產生彎曲振動，娃膜片與柔性轉子(轉子上制備了傾斜的柔性齒)接觸并輸出單向旋轉運動。該電機定子制備過程中利用了薄膜制備方法和娃刻蝕方法，制備的電機尺寸為6X6X2mm3，轉速為600rpm，力矩為50nNmD P.Muralt和M.-A.Dubois制備了類似工作原理的超聲微電機[M.-A.Duboisand P.Muraltj PZT thin film actuated elastic fin micromotor, IEEE Transact1nson Ultrasonics, Ferroelectricsj and Frequency Control 45，1169-1177，1998.]，利用具有更強壓電性能的PZT壓電薄膜材料(Pb (Zr, Ti) 03縮寫為PZT，厚度I μ m)替換ZnO材料，硅膜片的尺寸為直徑5.2mm，厚度34 μ m，測試結果表明PZT/Si復合膜片的振動比ZnO/Si復合膜片更強，電機性能得到明顯提升，輸出力矩0.94μΝηι，轉速1020rpm。G.L.Smith和R.Q.Rudy等人制備了基于PZT/Si復合膜片的旋轉型行波超聲微電機[G.L.Smith, R.Q.Rudy, R.G.Polcawich, and D.L.DeVoe, Integrated thin-fiIm piezoelectrictraveling wave ultrasonic motors, Sensors and Actuators A188,305-311,2012.R.Q.Rudy, G.L.Smith, D.L.DeVoe, and G.Polcawich, Millimeter-scale travelingwave rotary ultrasonic motors, Journal of Microelectromechanical Systems24，108-114,2015.]，實驗證實定子中能產生振幅均勻的行波，最大轉速可達2300rpm。雖然以上研宄工作演示了基于PZT/Si復合膜片的微型超聲電機，但由于高質量的PZT壓電薄膜難以獲得(PZT薄膜的制備過程中需要在含氧氣氛下進行高溫熱處理，與硅半導體工藝不兼容，且PZT由于成分復雜以及鉛元素的揮發(fā)性導致薄膜性能和一致性很難控制，另外，PZT薄膜的刻蝕工藝也有待研宄)，超聲電機的性能和一致性難以保證。

【發(fā)明內容】

[0005]針對現(xiàn)有技術不足，本發(fā)明的目的在于提供一種靜電力驅動的微型超聲電機，在硅片上制備硅膜片-腔體-硅基底平板電容結構的定子，利用平板電容兩電極間的靜電吸引力激發(fā)電機定子硅膜片的超聲共振，并通過定/轉子間的摩擦輸出力矩，不需要利用壓電材料，能提高超聲微電機的性能一致性。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明的一種靜電力驅動的微型超聲電機，包括:硅基定子、轉子、軸承和彈性預壓力裝置，所述硅基定子上表面設有一齒狀凸起；所述轉子的一端套設于軸承內作旋轉運動，所述轉子與所述硅基定子的齒狀凸起相接觸；所述彈性預壓力裝置沿軸向施加預壓力于轉子，使轉子與硅基定子間產生法向壓力，所述硅基定子在驅動電壓作用下產生超聲振動，硅基定子的齒狀凸起通過摩擦力驅動轉子旋轉。
[0007]較佳地，所述的硅基定子為一個復合結構體，其基底為低電阻率硅片，基底的上表面刻蝕出一個環(huán)形凹槽，基底的上表面和環(huán)形凹槽內表面覆蓋二氧化硅絕緣層，一個高電阻率硅膜片與基底的上表面鍵合并封閉凹槽形成真空腔體，所述高電阻率硅膜