CN101552574A - 静电微电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种静电微电机包括转子和定子。转子包括一段薄壁圆柱和一段空心圆柱，转子的材料为金属。转子与定子同轴并包覆定子，二者之间具有空气层。定子包括大于两个的偶数个互相绝缘的金属导体，这些金属导体以定子的轴线为中心对称。定子的外表面具有电介质层。其中顺序地在一组相对的金属导体上加极性相反大小相等的电压，定子和转子之间产生静电场，转子在静电场的电场力的作用下发生变形，随着电场方向的转变，转子跟随电场旋转方向缓慢转动。本发明所揭露的微电机采用了径向和轴向磁浮轴承，微电机的轴运转平稳、无机械摩擦。利用了谐波传动原理，输出转速低、扭矩大，能够满足微小角度的旋转，可以用于光刻装置中元件位置的微调整操作。

Description

静电微电机

技术领域

本发明涉及一种静电微电机，且特别涉及用于光刻装置中元件微调整操作的一种静电啮合微电机。

背景技术

微电子技术的巨大成功在许多领域引发了一场微小型化革命，以加工微米/纳米结构和系统为目的的微米/纳米技术在此背景下应运而生。自1987年由加州大学伯克利分校科学家研制首台静电微电机以来，微电机随着MEMS加工工艺、方法的突破取得了长足发展。

静电微电机因其与集成电路(integrate circuit，IC)兼容、驱动力与体积比极高；电场力通过施加电压来获得，易于控制；无直流功耗、能量利用率高等诸多优点，成为研究重点。另外，随着尺寸的减小，静电力表现出比机械力和电磁力更明显的优势。

发明人查阅目前的文献资料，由Sarros发表的Investigation of cylindrical andconical electrostatic wobble micromotors，以下简称Sarros，比较了圆柱式和圆锥式两类静电微电机，其转子均做行星运动并在圆柱或圆锥形定子空腔内滚动。该设计的主要优点体现在：电机转子的几何形状和滚动使间隙很小，而且准确，稳定。静电力越过间隙起作用并有很大的力量作用在转子上。电机结构紧凑而且具有良好的动力性能。

在Sarros所提出的技术方案中，圆柱或圆锥式静电电机通过定子和转子之间的静电吸力相作用，然而，其转子和定子之间存在滚动摩擦，容易损失静电能，同时输出轴存在摆动，对直接输出扭矩造成障碍。

中国公开号为CN 1829064A的发明给出了一种静电悬浮的可变电容式微静电电机，转子3在上下定子4，5、内外定子2，3形成的悬浮空间内运动，利用转子上的凸极和定子上的驱动电极施加转矩。

上述这个发明所提出的静电微电机结构复杂，不便于加工和装配，转子在封闭的环形空腔内旋转，同样不利于扭矩输出。

在一些特殊场合，比如光刻装置的镜片调节系统中，镜片的调节幅度非常微小，当驱动电机具有摆动、或者转动幅度不易控制的时候，会对整个光刻装置的对准造成误差。

发明内容

本发明提出一种应用于光刻装置中元件微调整操作的微电机，能够解决上述问题。

为了达到上述目的，本发明提出一种静电微电机，包括转子和定子。转子包括一段薄壁圆柱和一段空心圆柱，转子的材料为金属。转子与定子同轴并包覆定子，转子和定子之间具有空气层。定子包括大于两个的偶数个互相绝缘的金属导体，这些金属导体以定子的轴线为中心对称。定子的外表面具有电介质层。其中，分别顺序地在一组相对的金属导体上加极性相反大小相等的电压，定子和转子之间产生静电场，转子在静电场的电场力的作用下发生变形，随着电场方向的转变，转子跟随电场旋转方向而缓慢转动。

可选的，静电微电机还包括轴，与转子同轴，与空心圆柱紧配合，当转子转动时，转子带动轴转动。

可选的，静电微电机还包括与转子同轴的

绝缘罩，在转子之外包覆转子；

上端盖，在轴向方向盖住绝缘罩的顶端；

径向磁浮轴承转子，固定在轴上；

径向磁浮轴承定子，固定在绝缘罩上，径向磁浮轴承定子利用电磁力在径向上对轴实现悬浮；

轴向磁浮轴承转子，固定在轴上；以及

轴向磁浮轴承定子，固定在上端盖上，轴向磁浮轴承定子利用电磁力在轴向上对轴实现悬浮。

可选的，其中静电微电机用于调整光刻装置中的元件，转子连接至元件，从而驱动元件进行位置上的微调。

可选的，其中光刻装置的元件是镜片、晶片台或激光源。

可选的，其中静电微电机的传动比为：

$i=\frac{r}{r-S}$

其中，r是转子的内径，S是定子的外径。

本发明提出的微电机通过使用定子中静电场的转动，令作为转子的薄壁圆柱上有电场力的作用，达到定子与转子之间的静电啮合，从而转子能够随着定子上电场方向的转动向相同方向进行传动比较大的转动。

本发明所揭露的微电机采用了径向和轴向磁浮轴承，微电机的轴运转平稳、没有晃动、无机械摩擦。利用了谐波传动原理，输出转速低、扭矩大，能够满足微小角度的旋转，可以用于光刻装置中元件位置的微调整操作。

附图说明

图1是先前技术中静电微电机的结构示意图；

图2是本发明的静电微电机结构的纵向剖面示意图；

图3是本发明的静电微电机结构的水平向剖面示意图；

图4a～4f是本发明中静电微电机的静电啮合作动原理示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

图2是本发明的静电微电机结构的纵向剖面示意图，图3是本发明的静电微电机结构的水平向剖面示意图。请结合参考图2和图3。

本发明提供的静电微电机包括转子10、绝缘罩20、定子30、下端盖40、径向磁浮轴承定子50、径向磁浮轴承转子60、轴向磁浮轴承定子70、轴80、轴向磁浮轴承转子90和上端盖100，这些元件在静电微电机中均为同轴。

传动的转子10包括一段内径为r、壁厚为h，有效变形长度为1的薄壁圆柱，其材料可以为铝等容易变形的金属，转子10与定子30之间是厚度为t的薄层空气。

定子30与转子10同轴，被包覆于转子10之内，定子30与转子10之间为空气层。定子30包括空气层之内的偶数个用来在不同时刻顺序施加极性相反大小相等电压的互相绝缘的金属导体。这些金属导体以定子30的轴为中心对称。它们的外壁需经过阳极氧化处理，以获得一层很薄的电介质层。定子30外径为S。

绝缘罩20为微电机的外表面，上端盖100在轴向方向盖住绝缘罩20、定子30、转子10的顶端。下端盖40在轴向方向盖住定子30和绝缘罩20。

转子10还包括半径为r，紧配合于轴80上的空心圆柱，当转子10转动时，带动轴80转动，从而输出力矩。

径向磁浮轴承转子60与径向磁浮轴承定子50在径向对转子10实现悬浮，轴向磁浮轴承转子90与轴向磁浮轴承定子70在轴向对转子10实现悬浮。径向和轴向磁浮轴承均为非接触式磁浮轴承。

径向磁浮轴承转子60固定在轴80上，通过控制径向磁浮轴承定子50励磁绕组中的电流，可以控制转子10不同方向上所承受的径向电磁力，实现转子在径向悬浮。

轴向磁浮轴承转子90固定在轴80上，通过控制固定在上端盖100上的轴向磁浮轴承定子70励磁绕组中的电流，可以控制转子10所受的轴向电磁力，以平衡转子10的重力，从而实现转子在轴向悬浮。

同时，还可以增加一组轴向磁浮轴承定子，并保持其与轴向磁浮轴承定子70关于轴向磁浮轴承转子90上下对称，实现更加稳定的轴向悬浮。径向磁浮轴承转子60和轴向磁浮轴承转子90均采用超薄低损耗电工钢片叠压制成，故轴80上可以无槽。

如图3所示，在定子30的两个相对的对称角度[-β，β]上施加极性相反大小相等的电压后，转子10的表面会产生一定的感应电荷，于是在定子30和转子10之间形成静电场，所产生的电场力如图3中箭头所示。在静电场力的作用下，转子10的薄壁圆柱必然会发生一定的变形。

图4a～4f是本发明中静电微电机的静电啮合作动原理示意图。

将电压沿顺时针方向分别依序施加于定子30上不同的相对应的两个扇区内，则转子10会在相应的位置发生变形。用转子10上某一固定点A来表示转子10的转动方向。由于电场力的作用，转子10在相应的位置发生变形，转子10的薄壁圆柱向定子30靠近，如同与定子30的外表面啮合。当定子30上的不同区域分别依次加电压，转子10的薄壁圆柱也就依次啮合于定子30的外表面。

由于变形的作用，当电场旋转一周时，由于转子10的内表面周长与定子30的外表面周长存在差异，在静电啮合作用下，转子10会向相同的方向转动一个微小的角度。用n₁表示激励电场的旋转方向，n₂表示转子10的旋转方向，则系统在电场激励位置变化一个周期内的运动情况如图4a～4f所示。

定子30的若干块相互绝缘的金属导体，在本实施例中为图3、图4a～4f中的6个，但这仅是为了便于说明，本技术领域具有通常知识者能够了解到，定子30的结构并不一定仅限于此，金属导体的数目只要大于4个，让电压可以依序加于定子30上即可，金属导体数目的变化并不影响本发明的本质。

另外，结构上，转子10可以相对于图2所示的进行倒置，使其薄壁圆柱的开口向上，不会影响微电机的传动性能。

静电啮合微电机的传动比i是指静电场的激励频率与转子的输出转速之比。该值通常由结构的几何参数决定，为：

$i=\frac{r}{r-S}---\left(1\right)$

式中，r是转子的内径，S是定子的外径。由于空气层的厚度t和定子30的电介质层都很薄，所以传动比i的值一般很大。

这样，当静电微电机应用于光刻装置的元件位置调整时，能够在微小的幅度上，利用轴80连接至各种元件，从而驱动这些元件进行位置上的微调。这里提到的元件，包括但不限于，光刻装置中的镜片、晶片台、激光源等。

本发明通过使用定子上静电场的转动，令作为转子的薄壁圆柱上有电场力的作用，达到转子与定子之间的静电啮合，从而转子能够随着定子上电场方向的转动向相同方向进行传动比较大的转动。

本发明所揭露的微电机体积小，重量轻，容易实现电压调控。由于输出转速低、扭矩大，能够满足微小角度的旋转，可以用于镜片位置的微调整操作。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种静电微电机，其特征是，包括：

转子，包括一段薄壁圆柱和一段空心圆柱，所述转子的材料为金属；以及

定子，与所述转子同轴并被包覆于所述转子之内，所述定子和所述转子之间具有空气层，所述定子包括大于两个的偶数个互相绝缘的金属导体，这些金属导体以定子的轴线为中心对称，所述定子的外表面具有电介质层，

其中，分别顺序地在一组相对的金属导体上加极性相反大小相等的电压，所述定子和所述转子之间产生静电场，所述转子在所述静电场的电场力的作用下发生变形，随着所述静电场方向的转变，所述转子跟随电场旋转方向而缓慢转动。

2.根据权利要求1所述的静电微电机，其特征是，还包括：

轴，与所述转子同轴，与所述空心圆柱紧配合，当所述转子转动时，所述转子带动所述轴转动。

3.根据权利要求2所述的静电微电机，其特征是，还包括与所述转子同轴的：

绝缘罩，在所述转子之外包覆所述转子；

上端盖，在轴向方向盖住所述绝缘罩的顶端；

径向磁浮轴承转子，固定在所述轴上；

径向磁浮轴承定子，固定在所述绝缘罩上，所述径向磁浮轴承定子利用电磁力在径向上对轴实现悬浮；

轴向磁浮轴承转子，固定在所述轴上；以及

轴向磁浮轴承定子，固定在所述上端盖上，所述轴向磁浮轴承定子利用电磁力在轴向上对轴实现悬浮。

4.根据权利要求1所述的静电微电机，其特征是，其中所述静电微电机用于调整光刻装置中的元件，所述转子连接至所述元件，从而驱动所述元件进行位置上的微调。

5.根据权利要求4所述的静电微电机，其特征是，其中所述光刻装置的元件是镜片、晶片台或激光源。

6.根据权利要求1所述的静电微电机，其特征是，其中所述静电微电机的传动比为：

$i=\frac{r}{r-S}$

其中，r是所述转子的内径，S是所述定子的外径。

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