微小型超聲波電機的制造工藝
摘要：敘述了各種微小型超聲波電機的驅(qū)動機理、工藝方法利性能指標。詳細討論了電機制造工藝中應(yīng)注意的一些關(guān)鍵問題，并通過對電機的兩相阻抗特性的對比，分析了加工工藝、邊界條件以及裝配安裝使用等制造工藝對不同尺寸電機精度的影響。
關(guān)鍵詞：微小型超聲波電機；制造工藝：阻抗特性
O引言
1980年日本學(xué)者指田年生成功地制造出第一臺可以滿足實際使用要求的超聲波電機，近30年來各種類型和結(jié)構(gòu)的超聲波電機不斷地被研制，其性能指標也越來越接近實際工程應(yīng)用的需要。超聲波電機發(fā)展也經(jīng)歷了從大到小，從小型到微型的一個過程。隨著微電子機械系統(tǒng)(MEMs)開發(fā)的深入，作為微電子機械系統(tǒng)中關(guān)鍵執(zhí)行部件的微電機的研制越來越受到人們的關(guān)注。超聲波電機不會因尺寸的減小而功率急劇下降、轉(zhuǎn)換效率降低，具有功率體積比大、結(jié)構(gòu)簡單靈活，且更能滿足MEMs對電機的輸出力矩要求的特點，使其成為****發(fā)展?jié)摿Φ尿?qū)動器。事實證明，微型超聲波電機在航空航天、半導(dǎo)體工業(yè)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域已經(jīng)起到了電磁電機、靜電電機等不司替代的作用㈣。
1微小型超聲波電機的類型
目前，國內(nèi)外微小型超聲波電機主要有三類：在硅基體上沉積薄膜的超聲波電機、在金屬上沉積薄膜的超聲波和陶瓷塊體結(jié)構(gòu)的超聲波電機。1992年麻省理工學(xué)院Anita M·Flynn等在2 2㈣×2 2mm的氮化硅薄膜上沉積20nm厚的Ⅲ層，然后沉積460nm的Pt層作為底層電極，再用溶膠一凝膠法沉淀PzT薄膜并覆蓋金膜作為頂層電極，制作出微型行
波超聲波電機，定子的外徑為2㈣，內(nèi)徑為l 2 mm。平面內(nèi)的電極分區(qū)如圖1所示。每片電極激發(fā)出l腿波長的駐波，通過施加圖1所示相位的激勵電壓，在薄膜面內(nèi)可以激發(fā)出兩個波長
的行波，從而推動放置在薄膜面上的透鏡轉(zhuǎn)動。電機的轉(zhuǎn)速范圍為100～3【)()r／min。Ic工藝制造的微型電機尺寸小，可以把電機與驅(qū)動控制電路很好的集成起來，但工藝過程較復(fù)雜。用
薄膜定子時電場與應(yīng)力場的耦合問題給理論分析帶來了很大的難度，電機的輸出性能很難得以保證。
薄膜壓電陶瓷電機是在金屬基體的表面沉積有壓電薄膜的另一類固態(tài)微超聲波電機，日本對微小型超聲波電機的研究和應(yīng)用始終處于世界****地位。1998年東京大學(xué)T|akeshi Morita利用水熱法在金屬體表面沉積壓電薄膜的方法研制出種高性能的微型超聲電機。其壓電振子采用PzT薄膜制成，并在薄膜的外表面覆蓋的四個電極，結(jié)構(gòu)如圖2相差90。的交變電壓，中間接地。利用PzT的d3I效應(yīng)，相對的兩部分陶瓷共同激發(fā)出金屬柱體的一個方向的彎振。兩個相位和空間上都相差90。的彎振的合成
使定子形成搖頭運動，定予端面的質(zhì)點運動軌跡為橢圓運動，進而驅(qū)動轉(zhuǎn)子。電機定子直徑2 4 mln，長10mm，在電壓峰一峰值為15 v下的****轉(zhuǎn)速為880 r／nlln，
力矩達7 H N·m。2000年nkeshi Morita對這種電機進行進一步微型化，采用相同的工藝制造出直徑1 4 。mm，長5 mm當(dāng)施加20V。。和5 3mN預(yù)壓力的實驗條
件下，輸出力矩為0 67 uN·m的微型電機。
陶瓷塊體結(jié)構(gòu)的超聲波微小型電機是這幾種類型中輸出院下人工智能實驗室研制的贏徑8mm、長3mm的行波電機，工業(yè)公司推出的直徑11mm、長2㈣、并將壓電陶瓷縱向振機，其啟動轉(zhuǎn)矩為70rnN·m。國內(nèi)清華大學(xué)周鐵英教授在微型超聲波電機的研究方面處于****地位。2001年其課題組成功研制出直徑為1mm、長5mm的微型超聲波電機，其結(jié)構(gòu)如圖3所示�！啊痹趬弘娞沾芍捻敳空辰Y(jié)定子I蝎的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使整個電機加工工藝_人大簡化。工作時，陶瓷柱一端固支，激發(fā)出壓電陶瓷柱相互垂直的兩個固一階彎曲振動，
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