清華大學學報投稿模板

1、一款微型靜電旋轉電機設計 一款微型靜電旋轉電機設計林奎成（清華大學精儀系，北京 100084）摘 要：微型靜電電機是 MEMS 技術中一種非常重要的機械驅動裝置，相關的研究引起了國內外學者的高度重視。本文從原理方案設計、結構設計、集總參數建模、數值仿真計算等方面對一款典型的微型靜電旋轉電機進行了設計。結合理論推導公式分析了靜電旋轉電機的性能優(yōu)化方法。根據理論轉矩公式設計了電機相關尺寸參數，計算出當最大激勵電壓為 50V 時，其理論最

2、大轉矩為 7N·nm，滿足實際要求。采用表面微機械加工、表面刻蝕以及氣相沉積相結合的方法設計了微型靜電電機的加工工藝。關鍵詞：微型靜電電機；集總參數；結構設計；表面刻蝕 中圖分類號：Design of a micro electrostatic rotary motorLin Kuicheng(Department of Precision Instruments and Mechanology Tsinghua Univer

3、sity, Beijing 100084)Abstract: Abstract: Electrostatic micro-motor is a very important technology in the MEMS mechanical driveunit,related research has aroused great attention of scholars home and abroad. From the princi

4、ple of design, structural design,lumped parameter modeling,numerical simulation and other aspects，a typical micro electrostatic rotary motor is designed. Combining theoretical formula, this article analysed the electrost

5、atic rotary motor performance optimization methods. According to the theoretical design of the motor torque formula, this article designed size parameters, calculated that when the maximum excitation voltage of 50V, its

6、theoretical maximum torque 7N?nm,meeting the actual requirements. Using surface micro-machining, surface etching and vapor deposition method designed of a micro electrostatic motor processes. Keywords: Keywords: electros

7、tatic micro-motor; lumped parameter; structural design; surface etching0 前言 前言微機電系統（MEMS）技術的發(fā)展使得眾多的工業(yè)領域出現了革命性的發(fā)展，微型電機是MEMS中的非常重要的一種機械驅動裝置，一定程度上代表著MEMS發(fā)展水平。1987年加州大學伯克利分?？茖W家研制出世界上第一臺微型靜電電機，此后掀起了微電機的發(fā)展的浪潮，相繼出現了頂驅動電機、側驅動電機、

8、擺動電機、中心電機、法蘭盤電機、線性步進電機等多種微電機。[1]微型靜電電機具有轉速高、無直流功耗、易于控制以及加工工藝可與IC制造工藝相結合的特點，因而引起了國內外學者的廣泛關注和研究。微型靜電電機技術主體包括五個方面，設計、建模和仿真、加工制造、應用及其可靠性分析。一般來說，微型靜電電機可適用于諸如靜電微泵等微驅動器、微傳感器、半導體器件、光電子元件和數據存儲介質等低轉矩、高速的應用，且適合于在芯片上完成工作。[2]在制造工藝方面，

9、以美國、日本以及德國分別代表了三種制造以用集總參數法對其進行參數建模。在建模的過程中考慮電機在工作時所受影響條件可以分為：電機轉子本身具有一定的質量 ，可等效為一個電感 M；轉子在轉動過程中將受到軸承與固定支座之間 1 L的摩擦阻尼以及轉子與定子之間的氣動阻尼，兩者可以疊加為阻尼 b，并在等效電路中可以等效為電阻 ；電子轉子承受來自外部所施加的負載轉矩 R T，在等效電路中可以等效為一個負電壓 。 L V圖 2 等效電路根據等效電路，轉

10、矩與轉速以及負載力矩之間的關系式可以列寫為：Md T T b M dt? ? ? ? ?（3-1）當電機處于轉速穩(wěn)定的情況下，負載轉矩與驅動轉矩之間的關系為（3- M T T b? ? ?2）從式（3-2）可知，改善電機的摩擦性能，在高速運轉的條件下，降低軸承與支座之間的阻尼能夠起有效的改善電機的負載性能。3 數值仿真計算 數值仿真計算設計一款微型靜電旋轉電機，其電極長度 L 為300μm，轉子外半徑 r 為 600μm，定子電極與轉子

11、外半徑之間的間距 g 為 5μm。定子分布電極數為 36，采用兩路具有相對延時的方波信號作為激勵電壓，激勵電壓最大值 V 為 50V。定子與轉子之間介電常數ε為 8.87×10-12F/m。根據式（2-6）可近似計算出微靜電電機的理論最大輸入轉矩 T=7N·nm。由于理論的數值計算沒有考慮轉子摩擦損耗、電極之間邊緣效應等情況造成的轉矩損失，因而實際輸出的轉矩將會比理論計算的低，具體實際輸出的轉矩有待進一步的實驗驗證。

12、結合式（2-6）進行分析，電機的最大輸出轉矩是與定子電極數、電極長度、轉子外半徑以及最大輸入電壓等參數正相關的，而與定子和轉子之間的間距、激勵電壓相數等參數負相關的。介電常數方面也是一個可以改進的重要因素，真空介電常數是很小的，可以嘗試在轉子和定子之間填充一些特殊液體，同時在制作轉子時對表面進行納米工藝處理，改善其與相關液體粘附性，或許能夠大幅度提高輸出轉矩。在考慮調整最大輸出轉矩時可以針對不同的參數進行調整，以達到整個系統的優(yōu)化，這些