毫米级电磁微电机 本发明涉及一种毫米级的电磁型微电机，属于电机、微机械技术领域。
所谓毫米级微电机，是指外形尺寸为毫米数量级或更小的电机(又称微马达)，它是采用现代微电子制造技术中的微细加工技术制造的。微电机作为典型的MEMS和微机械的核心要素技术，一直是微机械研究的热点。目前已知的毫米级微电机，有采用静电型的，如美国加利福尼亚大学制成的是一种同步式的静电型微电机，它采用12个驻极定子，转子由4极三列同步脉冲驱动。由于静电型微电机的摩擦力很大，需要很高的驱动电压(60～100V)才能使电机转动，且转速不高。日本NEC公司仿照上述原理用单晶硅作出了转子直径为50μm的静电微马达，但在性能上没有多大提高。MEMS杂志报道德国B.Wagner等人用IC工艺制造的电磁型微电机，其转子特征尺寸在1mm上下，由稀土永磁材料制成，其定子是用在硅基底上沉淀的金制作的平面线圈，线圈允许的最大电流为650mA，该旋转电机的最大力矩为100nNm，最高转速2000rpm。但目前这类旋转式微电机的结构，其转子均位于定子线圈中间，即转子位于平面线圈绕组的中心。转子的磁化方向为水平方向，当基片上平面定子绕组通电时，其对应线圈内侧靠近转子的导线所形成的磁场也为水平磁化。由于转子位于定子绕组中间，尽管转子的尺寸可能做得较小，但电机总的外形尺寸并没有缩小。理论证明，电机的转矩与磁性转子的体积成正比。由于同样外形尺寸的条件下，此类电机地转子较小，所以需要通以较大的电流才能得到1μNm左右的转矩。即电机的转动力矩相对较小。
本发明的任务是提供一种毫米级的电磁型微电机，它能在有限的尺寸条件下，输出足够大的转动力矩，即输出功率大、效率高、驱动电压低。
本发明采用的是电磁转换型的微电机。与现有的电磁型微电机的结构不同的是，本发明的微电机的磁性转子位于平面定子线圈上方，在不扩大电机总的外形尺寸的前提下，其磁性转子的直径可以做得较大。磁性转子的磁化方向为垂直方向。当基片平面上定子绕组通电时，其形成的磁场也为垂直磁化。本发明的电磁型微电机，采用现代微电子制造技术中的微细加工方法，在直径2mm、厚度0.4mm的陶瓷基片上，制备6只多层平面绕组线圈及3只薄膜磁阻传感器作为微电机的定子。由直径2mm、厚度0.3mm的稀土永磁和镍铁软磁合金组成的薄膜，经专用充磁设备对其充磁，使之具有特殊的磁路，作为转子。通过磁阻传感器的信号测定转子磁极位置以决定定子绕组的通电次序和方向，并控制转子的正反向转动、以及速度调节。为减少摩擦损耗及噪声，简化制造工艺，本发明采用无刷电机结构型式，即以电子换向代替一般直流电机的电刷换向。由于本发明微电机的转子直径相对较大，因此具有较大的转动力矩及较高效率。
本发明毫米级电磁微电机由于上述结构的改进，与现有技术相比，具有输出功率大、效率高，转速稳定可调、驱动电压低、寿命长等优点，是一种具有实用价值的微电机。该微电机与其他微电子机械结合可制成微型机器人，将来可进入人体施行医疗手术；与集成电路结合制成的特种器件，在光通信、计算机、航空航天、精密电子仪器等高科技术领域中都具有重要的应用价值。
本发明毫米级电磁型微电机与美、德等国学者研制的同类微电机的基本性能比较如下表：
转子直径 电机尺寸 转速 力矩 (计算值) 电流 美 国威斯康辛大学 100μm ～2mm 150000rpm 100nNm 600mA 423μm ～4.5mm 12000rpm 600mA 美 国乔治亚理工学院 500μm ～1.5mm 500rpm 1.2μNm 500mA 德 国 1.4mm ～6mm 2000rpm 116nNm 500mA 本发明 2mm ～2mm 500rpm 1.5μNm 120mA
图1是本发明毫米级电磁型微电机的整体结构装配图。
图2是本发明毫米级电磁型微电机的定子结构。
图3是本发明毫米级电磁型微电机的磁性转子结构。
图4是图3所示磁性转子上的磁化方向示意图。
图5是本发明电磁微电机的定转子之间磁力作用示意图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明毫米级电磁微电机采用制备集成电路的微细加工方法制成。该电机由平面微型绕组线圈、磁阻传感器、磁性转子及控制电路等组成。图1是该微电机的整体装配结构图。它由经磨削抛光的陶瓷基片3、微型磁阻传感器2、平面绕组线圈5、氧化铝绝缘保护层4、磁性转子1，以及直径为0.2mm的主轴6组成。在陶瓷基片3上运用溅射、光刻、刻蚀方法制备磁阻传感器2的元件，然后溅射一层氧化铝绝缘保护层4，厚度2500A以上，以保证磁阻传感器2和定子绕组之间的绝缘。运用溅射、光刻、电镀、溅射绝缘层等方法制备6只多层平面绕组线圈5，3只磁阻传感器2则沿圆周方向对称地安置在平面绕组线圈5的间隔内。磁性转子1位于平面绕组线圈5上部，其直径与作为定子的平面绕组线圈5的直径相同。磁性转子1由稀土永磁材料和镍铁软磁材料两层复合薄膜制成，其中，稀土永磁合金层厚约0.25mm，镍铁合金层厚约0.1mm，该镍铁软磁合金层作为导通磁路，具有提高输出功率的作用。为降低主轴6和磁性转子1之间的摩擦阻力和提高转子寿命，在磁性转子1的中心镶有宝石轴承8。磁性转子1由专用充磁机进行充磁，使之具有特殊的磁路结构。通过定子上的磁阻传感器2，测定磁性转子1的磁极位置，来决定定子绕组的通电次序和方向，控制转子正反向转动和调速。
本发明毫米级电磁型微电机的磁性转子1的磁化方向垂直于膜面，在转子内共有8只磁化方向不同的磁极，如图4所示。平面绕组线圈(即定子)5上共有6只线圈，其中，对向的两只为一组。当定子线圈通电时，由于转子有磁场存在，则磁场内通电导线将受到作用力，该作用力将使转子转动。图5所示为定转子间的磁力作用示意。在图5上，转子和定子线圈示意图重合在一起，并示出了转子的磁化方向9和定子线圈内电流的方向10，以及产生的作用力的方向11(图中只画出了一组定子线圈的电流和受力的方向)。由于线圈作用力的方向相同，所以可驱使转子转动。由于本发明微电机的磁性转子1位于作为定子的平面绕组线圈5的上部，两者的直径大小相同，因此，在电机总的外形尺寸不扩大的前提下，与转子位于定子线圈中间的同类电机相比，本发明的转子直径较大，从而具有较大的转动力矩和较高的效率。