清华大学学报投稿模板

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1、一款微型静电旋转电机设计林奎成（清华大学精仪系，北京100084）摘要：微型静电电机是MEMS技术中一种非常重要的机械驱动装置，相关的研究引起了国内外学者的高度重视。本文从原理方案设计、结构设计、集总参数建模、数值仿真计算等方面对一款典型的微型静电旋转电机进行了设计。结合理论推导公式分析了静电旋转电机的性能优化方法。根据理论转矩公式设计了电机相关尺寸参数，计算出当最大激励电压为50V时，其理论最大转矩为7N·nm，满足实际要求。采用表面微机械加工、表面刻蚀以及气相沉积相结合的方法设计了微型静电电机的加工工艺。关键词：微型静电电机；集总参数；结构设计；表面刻蚀

2、中图分类号：DesignofamicroelectrostaticrotarymotorLinKuicheng(DepartmentofPrecisionInstrumentsandMechanologyTsinghuaUniversity,Beijing100084)Abstract:Electrostaticmicro-motorisaveryimportanttechnologyintheMEMSmechanicaldriveunit,relatedresearchhasarousedgreatattentionofscholarshomeandabr

3、oad.Fromtheprincipleofdesign,structuraldesign,lumpedparametermodeling,numericalsimulationandotheraspects，atypicalmicroelectrostaticrotarymotorisdesigned.Combiningtheoreticalformula,thisarticleanalysedtheelectrostaticrotarymotorperformanceoptimizationmethods.Accordingtothetheoretica

4、ldesignofthemotortorqueformula,thisarticledesignedsizeparameters,calculatedthatwhenthemaximumexcitationvoltageof50V,itstheoreticalmaximumtorque7N•nm,meetingtheactualrequirements.Usingsurfacemicro-machining,surfaceetchingandvapordepositionmethoddesignedofamicroelectrostaticmotorproc

5、esses.Keywords:electrostaticmicro-motor;lumpedparameter;structuraldesign;surfaceetching0前言微机电系统（MEMS）技术的发展使得众多的工业领域出现了革命性的发展，微型电机是MEMS中的非常重要的一种机械驱动装置，一定程度上代表着MEMS发展水平。1987年加州大学伯克利分校科学家研制出世界上第一台微型静电电机，此后掀起了微电机的发展的浪潮，相继出现了顶驱动电机、侧驱动电机、摆动电机、中心电机、法兰盘电机、线性步进电机等多种微电机。[1]微型静电电机具有转速高、无直流功耗、

6、易于控制以及加工工艺可与IC制造工艺相结合的特点，因而引起了国内外学者的广泛关注和研究。微型静电电机技术主体包括五个方面，设计、建模和仿真、加工制造、应用及其可靠性分析。一般来说，微型静电电机可适用于诸如静电微泵等微驱动器、微传感器、半导体器件、光电子元件和数据存储介质等低转矩、高速的应用，且适合于在芯片上完成工作。[2]在制造工艺方面，以美国、日本以及德国分别代表了三种制造工艺，美国以硅表面超微加工技术为代表，利用牺牲层技术与集成电路工艺相结合的加工方法；日本以传统的机械加工方法为主；德国主要采用LIGA技术，通过电铸成型和铸塑形成微结构。[3]本文将围绕

7、一种微型静电旋转电机的设计展开论述，包括讨论微型电机的原理结构、采用集总参数法进行微型静电旋转电机的参数建模以及仿真分析。结合硅表面加工技术给出此款电机的制造工艺流程。0微型静电旋转电机原理结构设计微型静电电机利用介电弛豫原理，其工作原理如下：将一个介电转子置于旋转电场之中，则在转子表面将感应产生电荷。由于介电弛豫，这些产生的电荷将滞后于旋转的电场，使得感应电荷与旋转电场之间产生偏移，而这个偏移将产生一个作用在转子上的力矩，驱动转子的转动。转动的作用力的目标是使得电极之间相互接近以达到能量最小的稳定位置。由于转子为移动的电极，因而通过限制转子的移动的自由度即

8、可获得一个单一方向的位移。根据上述原理设计的微型静电