CN111817601B - 一种低摩擦无轴静电感应马达 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于结构超滑的低摩擦无轴静电感应马达，包括对称分布的定子、转子和基底支撑层，所述转子包括圆形转子HOPG超滑片和圆形转子介电材料层；所述基底支撑层直径略大于圆形HOPG石墨片，且具有原子级光滑表面；本发明可以极大降低转子与基底之间的摩擦力，同时，利用超滑片与基底边缘之间的范德华回复力作为转子绕轴心转动的约束力，避免传统支撑形式的转轴引起的摩擦和磨损问题，可以极大提高微马达的寿命和转速。

Description

一种低摩擦无轴静电感应马达
技术领域
本发明涉及微马达领域，尤其涉及一种基于结构超滑的低摩擦无轴静电感应马达。
技术背景
微马达是一种重要的微执行器，它能够把电信号转换成机械运动，从而在微机电系统(MEMS)中发挥着重要的作用。目前，微马达常用的驱动方式主要包括：静电驱动、电磁驱动、压电驱动、形状记忆合金等，其中，静电驱动微马达由于结构简单，易于制作，功耗低且能够与IC装备兼容而被广泛研究。但是，截止到目前，各个运动部件之间的摩擦阻力极大地限制了微马达的性能和寿命。为了降低摩擦对微马达的影响，研究人员对此进行了大量的研究，提出了一系列降低摩擦的方法，如气体悬浮、静电悬浮、润滑、覆盖低摩擦材料、减小部件之间的物理接触面积等。但是，这些方法也面临着其他的问题，如悬浮式微马达不稳定、润滑材料不足以维持足够长的寿命、低摩擦材料工艺实现困难等。人们也研究了各种制作微马达如多晶硅、氮化硅以及单晶硅等材料的摩擦系数，试图使用不同的材料搭配、减小接触面积来降低接触部件之间的摩擦，但是在该种微马达使用过程中，仍然会由于接触界面处的磨损导致微马达失效。
结构超滑是解决摩擦磨损问题的理想方案之一，结构超滑是指两个原子级光滑且非公度接触的范德华固体表面(如石墨烯、二硫化钼等二维材料表面)之间摩擦、磨损几乎为零的现象。2004年，荷兰科学家J.Frenken的研究组通过实验设计，测量粘在探针上的一个几纳米大小(共约100个碳原子)的石墨片在高定向热解石墨(highly orientedpyrolytic graphite，HOPG)晶面滑动时的摩擦力，首次实验证实了纳米级超润滑的存在。2013年，郑泉水教授第一次在微米尺度发现HOPG(Highly Oriented Pyrolytic Graphite)片层材料之间的超滑现象，这标志着超滑从纯粹的基础兴趣研究过渡到可应用化的技术研究过程。结构超滑技术可以实现固-固表面之间几乎为零的摩擦和磨损，可以极大提高微马达的寿命和转速。
发明内容
本发明提出一种基于结构超滑的无轴静电感应马达的结构，包括对称分布的定子、转子HOPG石墨、转子介电材料层、基底支撑层。所述转子由圆形介电材料层和HOPG片组成；所述介电材料层位于HOPG超滑片上，介电材料层用来产生静电感应转矩；所述HOPG超滑片位于基底支撑层上；所述基底支撑层为圆形结构，直径略大于圆形HOPG超滑片，且具有原子级光滑表面；所述定子由对称分布的多对驱动电极组成。
本发明的发明目的通过以下具体方案实现：
一种低摩擦无轴静电感应马达，包括定子、转子和基底支撑层，所述定子包括至少2对驱动电极，所述转子包括超滑片和介电材料层，所述介电材料层设置于超滑片上，所述超滑片设置于基底支撑层上，所述基底支撑层具有原子级光滑表面。
根据本发明的另一个方面，所述驱动电极对称分布。
根据本发明的另一个方面，所述驱动电极至少为3对，优选的，所述驱动电极为4对。
根据本发明的另一个方面，所述超滑片和介电材料层的截面均为圆形。
根据本发明的另一个方面，所述基底支撑层与所述超滑片接触的部分的截面直径不小于超滑片的截面直径。
根据本发明的另一个方面，所述超滑片的材料可以是石墨、HOPG、石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母。
根据本发明的另一个方面，所述超滑片的厚度优选为100nm～10μm，直径优选为1um-100um。
根据本发明的另一个方面，所述基底支撑层的材料为高阻硅。
根据本发明的另一个方面，所述基底支撑层与所述超滑片接触的部分的截面为圆形。
根据本发明的另一个方面，所述基底支撑层与所述超滑片接触的部分的截面直径略大于超滑片的截面直径。
本发明在转子与支撑基底之间引入极低摩擦力且无磨损的超滑旋转副，可以极大降低转子与基底之间的摩擦力，同时，利用超滑片与基底边缘之间的范德华回复力作为转子绕轴心转动的约束力，避免传统支撑形式的转轴引起的摩擦和磨损问题，可以极大提高微马达的寿命和转速。
附图说明
图1为本发明实施例的基于结构超滑的低摩擦无轴静电感应马达的俯视图；
图2为本发明实施例的基于结构超滑的低摩擦无轴静电感应马达的俯视图沿A-A方向的剖面图；
图3为本发明实施例的基于结构超滑的低摩擦无轴静电感应马达图2中沿B-B方向的剖面图；
图4为本发明实施例的基于结构超滑的低摩擦无轴静电感应马达转子发生右向离开中心位置的径向偏移的俯视图；
图5为本发明实施例的基于结构超滑的低摩擦无轴静电感应马达转子发生右向离开中心位置的径向偏移的俯视图沿C-C方向的剖面图。
附图标记：1、定子电极1，2、定子电极2，3、定子电极3，4、定子电极4，5、定子电极5，6、定子电极6，7、定子电极7，8、定子电极8，9、介电材料层，10、HOPG超滑片，11、基底支撑层
具体实施方式
以下将参考附图详细描述本发明的低摩擦无轴静电感应马达。实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
如图1、图2所示，所述无轴静电感应马达包括对称分布的定子(1-8)、转子、基底支撑层11。所述转子包括圆形转子HOPG超滑片10和圆形转子介电材料层9；所述介电材料层9位于HOPG超滑片10上，介电材料层9用来产生静电感应转矩；所述HOPG超滑片10位于基底支撑层11上；所述基底支撑层11为圆形结构，直径略大于圆形HOPG超滑片10，且具有原子级光滑表面；所述定子由对称分布的4对驱动电极组成(1-5、2-6、3-7、4-8)，所述超滑片10的材料可以是石墨、HOPG、石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母，厚度优选为100nm～10μm。
该静电感应马达的工作流程如下：当在定子电极1与定子电极5之间施加驱动电压(定子电极1为正，定子电极5为负)时，由于静电感应效应，圆形转子介电材料层9靠近定子电极1的部分将感应出负电荷，而圆形转子介电材料层9靠近定子电极5的部分将感应出正电荷，然后撤销施加在定子电极1与定子电极5之间的驱动电压，在定子电极2与定子电极6之间施加驱动电压(定子电极2为正，定子电极6为负)，由于介电材料的静电驰豫效应，极化的电荷不能马上恢复到无序的电中性状态，因此圆形转子介电材料层9将受到一个顺时针方向的静电转矩，如果在4对驱动电极(1-5、2-6、3-7、4-8)之间顺时针循环反复施加驱动电压，那么在旋转电场的作用下，介电转子将实现旋转运动；所述介电材料层9位于由圆形HOPG超滑片10和基底支撑层11构成的超滑副上，这使得介电材料层9和圆形HOPG超滑片10构成的转子可以实现极低摩擦及无磨损旋转，极大提高静电驱动马达的使用寿命；所述圆形基底支撑层11的直接略大于圆形HOPG超滑片10的直径，使得当圆形HOPG超滑片10处于中心位置旋转时不会受到圆形基底支撑层11与HOPG超滑片10之间边缘键的阻力影响。
如图4、图5所示，当由HOPG超滑片10和介电材料层9构成的转子受到外界扰动而向右发生离开中心位置的径向偏移时，由于HOPG超滑片10与基底支撑层11之间的范德华回复力，转子将被约束回基底支撑层11的中心位置。同样的，当转子向左发生离开中心位置的径向偏移时，范德华回复力将转子拉回至中心位置，这种依靠范德华力作为转子轴心约束的回复力可以避免传统机械式轴承约束带来的摩擦和磨损问题，极大提高了静电马达的使用寿命和转速。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低摩擦无轴静电感应马达，包括定子、转子和基底支撑层(11)，所述定子包括至少2对驱动电极，其特征在于：所述转子包括超滑片(10)和用于产生静电感应转矩的介电材料层(9)，所述介电材料层(9)固定设置于超滑片(10)上，所述超滑片(10)设置于基底支撑层(11)上，所述基底支撑层(11)具有原子级光滑表面，所述超滑片(10)和介电材料层(9)的截面均为圆形，且所述超滑片(10)与所述基底支撑层(11)之间相对旋转，所述基底支撑层(11)与所述超滑片(10)接触的部分的截面直径不小于超滑片(10)的截面直径。
2.如权利要求1所述的低摩擦无轴静电感应马达，其特征在于，所述驱动电极对称分布。
3.如权利要求1所述的低摩擦无轴静电感应马达，其特征在于，所述驱动电极至少为3对。
4.如权利要求1所述的低摩擦无轴静电感应马达，其特征在于，所述超滑片(10)的材料是石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母。
5.如权利要求1所述的低摩擦无轴静电感应马达，其特征在于，所述超滑片(10)的材料是HOPG。
6.如权利要求1所述的低摩擦无轴静电感应马达，其特征在于，所述超滑片(10)的材料是石墨。
7.如权利要求1所述的低摩擦无轴静电感应马达，其特征在于，所述超滑片(10)的厚度为100nm～10μm，直径为1um-100um。
8.如权利要求1-7任一项所述的低摩擦无轴静电感应马达，其特征在于，所述基底支撑层(11)的材料为高阻硅。
9.如权利要求1-7任一项所述的低摩擦无轴静电感应马达，其特征在于，所述基底支撑层(11)与所述超滑片(10)接触的部分的截面为圆形。
10.如权利要求1-7任一项所述的低摩擦无轴静电感应马达，其特征在于，所述基底支撑层(11)与所述超滑片(10)接触的部分的截面直径略大于超滑片(10)的截面直径。
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