CN102148593B - 定子内嵌式电磁悬浮转子微马达 - Google Patents

Abstract

一种微机电系统技术领域的定子内嵌式电磁悬浮转子微马达，包括：转子以及转动设置于转子内的定子，所述的转子包括：转子圆板和联结柱，其中：若干联结柱的两端分别与两块转子圆板垂直固定连接；所述的定子包括：支撑柱、基体、基板以及具体有相同结构的上定子和下定子，其中：支撑柱位于转子的圆心且两端分别与下定子和基板固定连接，上定子和下定子分别固定联结于基体的上表面和下表面。本发明与现有技术相比具有理由电磁悬浮体增加了马达的自稳稳定性。

Description

定子内嵌式电磁悬浮转子微马达

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的装置，具体是一种定子内嵌式电磁悬浮转子微马达。

背景技术

采用悬浮技术可避免由于接触带来的磨擦和磨损，从而得到高的移动速度或转速，同时还能避免由于接触而造成对材料的污染，因此悬浮技术在生产或生活中应用得较多，如磁浮列车、静电悬浮轴承、电磁悬浮冶炼技术、静电陀螺等。电磁悬浮完全是一种无源悬浮技术，即它不需要外加反馈控制电路而实现自主悬浮，同时电磁悬浮对电极间的间隙没有严格要求，与静电悬浮相比，电磁悬浮装置结构简单，控制电路不复杂，对结构尺寸精度要求不高。

国内外应用硅的表面微细加工技术或者体微细加工技术加工出了多种结构的微振动陀螺，但由于种种原因微振动陀螺很难达到传统陀螺的高精度。上世纪90年代，Shearwood等人提出了一种电磁悬浮微转动陀螺，电磁悬浮微转动陀螺是由平面线圈、感应电极和微转子等主要部分组成的，其中平面线圈根据其功能不同又分成悬浮线圈、旋转线圈和稳定线圈三种。电磁悬浮微转动陀螺是依靠电磁感应原理和电磁力理论得以悬浮和旋转的，平面线圈上方放有微转子，悬浮线圈位于最靠近中心的位置，紧靠悬浮线圈的是旋转线圈，旋转线圈可分为多相，微转子处于旋转磁场中，处于定子线圈最外围的是稳定线圈，定子线圈之间还分布着有传感电容电极。电磁悬浮微转动陀螺的核心部件是电磁悬浮微马达结构。在这种微马达中，采用平面线圈来微转子稳定悬浮和旋转驱动，使悬浮起来的微转子作高速转动。

经对现有技术的文献检索发现，美国专利号5,955,800，记载了一种“悬浮系统(LevitationSystems)”，该技术是以下几个部分组成的：a)最大直径为1500μm的高导电率体；b)悬浮力产生装置；c)使转子旋转的微型装置。这种电磁悬浮转子微马达中，悬浮线圈、旋转线圈、稳定线圈是串联在一起的，悬浮线圈在最内侧，旋转线圈处于中间部位，稳定线圈位于最外侧。它利用稳定线圈在微转子外侧的电磁场边缘效应，产生稳定悬浮。

但上述技术存在以下的不足：1.在串联式线圈中需要通过两种不同频率的高频电流，这增加了控制电路的复杂性；2.稳定悬浮驱动电磁场和旋转驱动电磁场在空间上重叠在一起，因此增加了它们之间的相互干扰；3.旋转电磁场在整个半径长度方向上都有分布，但半径较大处的旋转电磁场起到绝大部分的作用；4.由于只能单边悬浮驱动，因此整个装置的悬浮稳定性不好，稳定悬浮抗干扰性差；5.随着双层稳定悬浮线圈中电流的增大，微转子悬浮高度增大，因此悬浮体侧向刚度可调性不好。这种系统针对直径为520微米，厚度为12微米的转子，得到的最大转速为1000转每分。该转速远远达不到高精度微陀螺的要求。为了得到高精度的陀螺，需要有新型定子线圈的结构，从而进一步提高微转子的悬浮稳定性和旋转转速。

进一步检索发现，中国专利文献号CN100566121，授权日2009-12-2，记载了一种“定子内嵌式电磁悬浮转子微马达”，该技术采用了盒形微转子和定子内嵌式结构，可增加悬浮微转子的悬浮刚度和侧向稳定刚度，同时中间基体在盒形微转子不工作的时候起到对微转子限位的作用，能大大提高微转子的转速和悬浮稳定性，并更适合在微陀螺、微惯性测量单元等MEMS器件领域中的应用。但是，这种结构的电磁悬浮转子微马达具有封闭的转子结构，不适合采用微细加工方法进行制造。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种定子内嵌式电磁悬浮转子微马达，与现有技术相比具有理由电磁悬浮体增加了马达的自稳稳定性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：转子以及转动设置于转子内的定子，其中：

所述的转子包括：转子圆板和联结柱，其中：若干联结柱的两端分别与两块转子圆板垂直固定连接，

所述的转子圆板由相同结构的转子上圆板和转子下圆板组成，其中：转子上圆板和转子下圆板与联结柱两端固定连接并构成盒形微转子，该盒形微转子在上定子和下定子的电磁力作用下稳定悬浮在定子的外缘。

所述的定子包括：支撑柱、基体、基板以及具体有相同结构的上定子和下定子，其中：支撑柱位于转子的圆心且两端分别与下定子和基板固定连接，上定子和下定子分别固定联结于基体的上表面和下表面。

所述的上定子及下定子表面均设有双层稳定悬浮线圈、旋转线圈、信号引脚以及信号线，其中：双层稳定悬浮线圈、旋转线圈、信号引脚之间用绝缘介质填充，信号线的两端分别与双层稳定悬浮线圈及高频电流源相连。

本发明中，采用线圈分离式结构，通过双层稳定悬浮线圈内圈电流的感应电磁力侧向分力，为微转子提供侧向稳定性，上定子和下定子上分别有四个双层稳定悬浮线圈内圈，这八个双层稳定悬浮线圈在盒形微转子上产生的电磁力就如同存在八个无形的支撑，将盒形微转子稳定地固定在中间基体的外围，随着双层稳定悬浮线圈中电流的增大，盒形微转子和中间基体之间的间隙没有明显的变化，但盒形微转子上的感应电磁力侧向分量在增加，因此，采用这种结构能大大增加电磁悬浮体的自稳稳定性。

附图说明

图1为本发明总体结构剖面示意图；

图2是本发明转子的三维视图；

图3是本发明微马达的上定子或下定子的俯视图；

图4是本发明微马达上定子的结构剖视图；

图5是本发明微马达定子的微加工工艺示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实施例包括：转子1以及转动设置于转子1内的定子2，其中：

所述的转子1包括：转子圆板3和联结柱4，其中：若干联结柱4的两端分别与两块转子圆板3垂直固定连接，

所述的转子圆板3由相同结构的转子上圆板3a和转子下圆板3b组成，其中：转子上圆板3a和转子下圆板3b与联结柱4两端固定连接并构成盒形微转子，该盒形微转子在上定子8和下定子9的电磁力作用下稳定悬浮在定子2的外缘。

所述的定子2包括：支撑柱5、基体6、基板7以及具体有相同结构的上定子8和下定子9，其中：支撑柱5位于转子1的圆心且两端分别与下定子9和基板7固定连接，上定子8和下定子9分别固定联结于基体6的上表面和下表面。

如图3所示，所述的上定子8及下定子9表面均设有双层稳定悬浮线圈10、旋转线圈11、信号引脚12以及信号线13，其中：双层稳定悬浮线圈10、旋转线圈11、信号引脚12之间用绝缘介质14填充，信号线13的两端分别与双层稳定悬浮线圈10及高频电流源相连，所述的双层稳定悬浮线圈10由内圈10a和外圈10b组成。

如图4所示，所述的上定子8和下定子9均为半导体工艺制备得到，由下而上依次由线圈层15、焊点层16、层间连线层17、互连层18、层间介质层19构成，其中：线圈层15、焊点层16、层间连线层17以及互连层18均为铜制成，层间介质层19采用氧化硅，氧化铝，高分子聚合物制成，互连层18分别与线圈层15以及双层稳定悬浮线圈10以及双层稳定悬浮线圈10与焊点层16相连，层间连线层17完成层之间的电互连，层间介质层19实现层之间的电绝缘。

如图5所示，为所述的上定子8或下定子9的加工工艺流程，上定子8和下定子9具有完全相同的结构因此工艺相同，这里只给出了上定子8的加工工艺，做完上定子8后需要用到双面光刻工艺来制作下定子9，以保证上定子8和下定子9的图形完全对准。

如图5所示，该工艺包括以下步骤：

步骤a)：加工用的基片经过清洗；

步骤b)：在基片上溅射Cr/Cu种子层；

步骤c)：光刻工艺，采用光刻胶对基片上的Cr/Cu种子层进行如图形化；

步骤d)：电镀铜互连；

步骤e)：去光刻胶；

步骤f)：电镀层间互连，然后去掉暴露出来的Cr/Cu种子层；

步骤g)：溅射介电材料绝缘层，然后磨平；

步骤h)：采用与步骤b)-步骤e)相同的工艺过程完成线圈层的制作；

步骤i)：溅射介电材料绝缘层，然后将绝缘层磨平，完成上定子的制作；

步骤j)：采用双面光刻工艺制作下定子。

本实施例具有以下特点：采用线圈分离式结构，将双层稳定悬浮线圈放置在定子靠近中央的位置上，利用稳定线圈电磁场在环形转子内侧的边缘效应，产生稳定悬浮，将旋转线圈放置在定子的最外侧，这样增加了旋转线圈电磁场的空间占有体积和电磁力作用力矩，从而增大微转子的旋转扭力矩；采用盒形微转子，从而，定子就可以制作在盒形微转子的内腔中；采用双定子结构，增加了微转子受到的电磁力，从而增大悬浮刚度和稳定刚度；通过利用定子内嵌技术，在不需要上基体的情况下，实现了双定子结构；在定子内嵌式电磁悬浮转子微马达中，微转子的悬浮高度是不变的，这种结构可以增加微转子的悬浮刚度，并且微转子的侧向刚度可调；采用定子内嵌式结构，定子在不工作时起着对盒形微转子限位的作用，使得微转子在不工作的时候停留在工作点附近，便于下一次重新启动；采用组合式加工方法，首先利用微细加工方法制造出双面定子，然后将转子组装在定子的外侧，最后利用支撑柱将定子支撑在基体上，这种加工方法减小了定子嵌入式电磁悬浮转子微马达的加工难度。因此，在大大提高微转子的转速和悬浮稳定性的同时，提供了一种可行的微马达制作工艺，为实现这种定子内嵌式电磁悬浮转子微马达提供了一种有效途径。

Claims (4)

1.一种定子内嵌式电磁悬浮转子微马达，包括：转子以及转动设置于转子内的定子，其特征在于：

所述的转子包括：转子圆板和联结柱，其中：若干联结柱的两端分别与两块转子圆板垂直固定连接；

所述的定子包括：支撑柱、基体、基板以及具体有相同结构的上定子和下定子，其中：支撑柱位于转子的圆心且两端分别与下定子和基板固定连接，上定子和下定子分别固定联结于基体的上表面和下表面；

所述的上定子及下定子表面均设有双层稳定悬浮线圈、旋转线圈、信号引脚以及信号线，其中：双层稳定悬浮线圈、旋转线圈、信号引脚之间用绝缘介质填充，信号线的两端分别与双层稳定悬浮线圈及高频电流源相连。

2.根据权利要求1所述的定子内嵌式电磁悬浮转子微马达，其特征是，所述的转子圆板由相同结构的转子上圆板和转子下圆板组成，其中：转子上圆板和转子下圆板与联结柱两端固定连接并构成盒形微转子，该盒形微转子在上定子和下定子的电磁力作用下稳定悬浮在定子的外缘。

3.根据权利要求1所述的定子内嵌式电磁悬浮转子微马达，其特征是，所述的上定子和下定子由下而上依次由线圈层、焊点层、层间连线层、互连层、层间介质层构成，其中：线圈层、焊点层、层间连线层以及互连层均为铜制成，层间介质层采用氧化硅、氧化铝或高分子聚合物制成，互连层分别与线圈层、双层稳定悬浮线圈以及焊点层相连，层间连线层完成层之间的电互连，层间介质层实现层之间的电绝缘。

4.一种制备如权利要求1至3中任一所述定子的半导体加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a)：加工用的基片经过清洗；

步骤b)：在基片上溅射Cr/Cu种子层；

步骤c)：光刻工艺，采用光刻胶对基片上的Cr/Cu种子层进行图形化；

步骤d)：电镀铜互连；

步骤e)：去光刻胶；

步骤f)：电镀层间互连，然后去掉暴露出来的Cr/Cu种子层；

步骤g)：溅射介电材料绝缘层，然后磨平；

步骤h)：采用与步骤b)-步骤e)相同的工艺过程完成线圈层的制作；

步骤i)：溅射介电材料绝缘层，然后将绝缘层磨平，完成上定子的制作；

步骤j)：采用双面光刻工艺制作下定子。

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