專利名稱：定子內(nèi)嵌式電磁懸浮轉(zhuǎn)子微馬達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種定子內(nèi)嵌式電磁懸 浮轉(zhuǎn)子微馬達(dá)。
背景技術(shù)：
采用懸浮技術(shù)可避免由于接觸帶來的磨擦和磨損，從而得到高的移動速度或轉(zhuǎn) 速，同時還能避免由于接觸而造成對材料的污染，因此懸浮技術(shù)在生產(chǎn)或生活中應(yīng)用得較 多，如磁浮列車、靜電懸浮軸承、電磁懸浮冶煉技術(shù)、靜電陀螺等。電磁懸浮完全是一種無源 懸浮技術(shù)，即它不需要外加反饋控制電路而實現(xiàn)自主懸浮，同時電磁懸浮對電極間的間隙 沒有嚴(yán)格要求，與靜電懸浮相比，電磁懸浮裝置結(jié)構(gòu)簡單，控制電路不復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)尺寸精 度要求不高。國內(nèi)外應(yīng)用硅的表面微細(xì)加工技術(shù)或者體微細(xì)加工技術(shù)加工出了多種結(jié)構(gòu)的 微振動陀螺，但由于種種原因微振動陀螺很難達(dá)到傳統(tǒng)陀螺的高精度。上世紀(jì)90年代， Siearw00Cl等人提出了一種電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺，電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺是由平面線圈、感應(yīng) 電極和微轉(zhuǎn)子等主要部分組成的，其中平面線圈根據(jù)其功能不同又分成懸浮線圈、旋轉(zhuǎn)線 圈和穩(wěn)定線圈三種。電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺是依靠電磁感應(yīng)原理和電磁力理論得以懸浮和旋 轉(zhuǎn)的，平面線圈上方放有微轉(zhuǎn)子，懸浮線圈位于最靠近中心的位置，緊靠懸浮線圈的是旋轉(zhuǎn) 線圈，旋轉(zhuǎn)線圈可分為多相，微轉(zhuǎn)子處于旋轉(zhuǎn)磁場中，處于定子線圈最外圍的是穩(wěn)定線圈， 定子線圈之間還分布著有傳感電容電極。電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺的核心部件是電磁懸浮微馬 達(dá)結(jié)構(gòu)。在這種微馬達(dá)中，采用平面線圈來微轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，使懸浮起來的微轉(zhuǎn) 子作高速轉(zhuǎn)動。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國專利號5，955，800，記載了一種“懸浮系統(tǒng) (LevitationSystems)”，該技術(shù)是以下幾個部分組成的a)最大直徑為1500μπι的高導(dǎo)電 率體；b)懸浮力產(chǎn)生裝置；c)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的微型裝置。這種電磁懸浮轉(zhuǎn)子微馬達(dá)中，懸浮線 圈、旋轉(zhuǎn)線圈、穩(wěn)定線圈是串聯(lián)在一起的，懸浮線圈在最內(nèi)側(cè)，旋轉(zhuǎn)線圈處于中間部位，穩(wěn)定 線圈位于最外側(cè)。它利用穩(wěn)定線圈在微轉(zhuǎn)子外側(cè)的電磁場邊緣效應(yīng)，產(chǎn)生穩(wěn)定懸浮。但上述技術(shù)存在以下的不足1.在串聯(lián)式線圈中需要通過兩種不同頻率的高頻 電流，這增加了控制電路的復(fù)雜性；2.穩(wěn)定懸浮驅(qū)動電磁場和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電磁場在空間上重 疊在一起，因此增加了它們之間的相互干擾；3.旋轉(zhuǎn)電磁場在整個半徑長度方向上都有分 布，但半徑較大處的旋轉(zhuǎn)電磁場起到絕大部分的作用；4.由于只能單邊懸浮驅(qū)動，因此整 個裝置的懸浮穩(wěn)定性不好，穩(wěn)定懸浮抗干擾性差；5.隨著雙層穩(wěn)定懸浮線圈中電流的增 大，微轉(zhuǎn)子懸浮高度增大，因此懸浮體側(cè)向剛度可調(diào)性不好。這種系統(tǒng)針對直徑為520微 米，厚度為12微米的轉(zhuǎn)子，得到的最大轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)每分。該轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到高精度微陀 螺的要求。為了得到高精度的陀螺，需要有新型定子線圈的結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提高微轉(zhuǎn)子的 懸浮穩(wěn)定性和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。進(jìn)一步檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻(xiàn)號CN100566121，授權(quán)日2009_12_2，記載了一種“定子內(nèi)嵌式電磁懸浮轉(zhuǎn)子微馬達(dá)”，該技術(shù)采用了盒形微轉(zhuǎn)子和定子內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，可增加 懸浮微轉(zhuǎn)子的懸浮剛度和側(cè)向穩(wěn)定剛度，同時中間基體在盒形微轉(zhuǎn)子不工作的時候起到對 微轉(zhuǎn)子限位的作用，能大大提高微轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和懸浮穩(wěn)定性，并更適合在微陀螺、微慣性測 量單元等MEMS器件領(lǐng)域中的應(yīng)用。但是，這種結(jié)構(gòu)的電磁懸浮轉(zhuǎn)子微馬達(dá)具有封閉的轉(zhuǎn)子 結(jié)構(gòu)，不適合采用微細(xì)加工方法進(jìn)行制造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種定子內(nèi)嵌式電磁懸浮轉(zhuǎn)子微馬 達(dá)，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有理由電磁懸浮體增加了馬達(dá)的自穩(wěn)穩(wěn)定性。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括轉(zhuǎn)子以及轉(zhuǎn)動設(shè)置于轉(zhuǎn)子內(nèi)的 定子，其中所述的轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子圓板和聯(lián)結(jié)柱，其中若干聯(lián)結(jié)柱的兩端分別與兩塊轉(zhuǎn)子 圓板垂直固定連接，所述的轉(zhuǎn)子圓板由相同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子上圓板和轉(zhuǎn)子下圓板組成，其中轉(zhuǎn)子上圓板 和轉(zhuǎn)子下圓板與聯(lián)結(jié)柱兩端固定連接并構(gòu)成盒形微轉(zhuǎn)子，該盒形微轉(zhuǎn)子在上定子和下定子 的電磁力作用下穩(wěn)定懸浮在定子的外緣。所述的定子包括支撐柱、基體、基板以及具體有相同結(jié)構(gòu)的上定子和下定子，其 中支撐柱位于轉(zhuǎn)子的圓心且兩端分別與下定子和基板固定連接，上定子和下定子分別固 定聯(lián)結(jié)于基體的上表面和下表面。所述的上定子及下定子表面均設(shè)有雙層穩(wěn)定懸浮線圈、旋轉(zhuǎn)線圈、信號引腳以及 信號線，其中雙層穩(wěn)定懸浮線圈、旋轉(zhuǎn)線圈、信號引腳之間用絕緣介質(zhì)填充，信號線的兩端 分別與雙層穩(wěn)定懸浮線圈及高頻電流源相連。本發(fā)明中，采用線圈分離式結(jié)構(gòu)，通過雙層穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈電流的感應(yīng)電磁力 側(cè)向分力，為微轉(zhuǎn)子提供側(cè)向穩(wěn)定性，上定子和下定子上分別有四個雙層穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi) 圈，這八個雙層穩(wěn)定懸浮線圈在盒形微轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的電磁力就如同存在八個無形的支撐， 將盒形微轉(zhuǎn)子穩(wěn)定地固定在中間基體的外圍，隨著雙層穩(wěn)定懸浮線圈中電流的增大，盒形 微轉(zhuǎn)子和中間基體之間的間隙沒有明顯的變化，但盒形微轉(zhuǎn)子上的感應(yīng)電磁力側(cè)向分量在 增加，因此，采用這種結(jié)構(gòu)能大大增加電磁懸浮體的自穩(wěn)穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)剖面示意圖；圖2是本發(fā)明轉(zhuǎn)子的三維視圖；圖3是本發(fā)明微馬達(dá)的上定子或下定子的俯視圖；圖4是本發(fā)明微馬達(dá)上定子的結(jié)構(gòu)剖視圖；圖5是本發(fā)明微馬達(dá)定子的微加工工藝示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施
4例。如圖1和圖2所示，本實施例包括轉(zhuǎn)子1以及轉(zhuǎn)動設(shè)置于轉(zhuǎn)子1內(nèi)的定子2，其 中所述的轉(zhuǎn)子1包括轉(zhuǎn)子圓板3和聯(lián)結(jié)柱4，其中若干聯(lián)結(jié)柱4的兩端分別與兩 塊轉(zhuǎn)子圓板3垂直固定連接，所述的轉(zhuǎn)子圓板3由相同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子上圓板3a和轉(zhuǎn)子下圓板北組成，其中轉(zhuǎn)子 上圓板3a和轉(zhuǎn)子下圓板北與聯(lián)結(jié)柱4兩端固定連接并構(gòu)成盒形微轉(zhuǎn)子，該盒形微轉(zhuǎn)子在 上定子8和下定子9的電磁力作用下穩(wěn)定懸浮在定子2的外緣。所述的定子2包括支撐柱5、基體6、基板7以及具體有相同結(jié)構(gòu)的上定子8和下 定子9，其中支撐柱5位于轉(zhuǎn)子1的圓心且兩端分別與下定子9和基板7固定連接，上定 子8和下定子9分別固定聯(lián)結(jié)于基體6的上表面和下表面。如圖3所示，所述的上定子8及下定子9表面均設(shè)有雙層穩(wěn)定懸浮線圈10、旋轉(zhuǎn)線 圈11、信號引腳12以及信號線13，其中雙層穩(wěn)定懸浮線圈10、旋轉(zhuǎn)線圈11、信號引腳12之 間用絕緣介質(zhì)14填充，信號線13的兩端分別與雙層穩(wěn)定懸浮線圈10及高頻電流源相連， 所述的雙層穩(wěn)定懸浮線圈10由內(nèi)圈IOa和外圈IOb組成。如圖4所示，所述的上定子8和下定子9均為半導(dǎo)體工藝制備得到，由下而上依次 由線圈層15、焊點層16、層間連線層17、互連層18、層間介質(zhì)層19構(gòu)成，其中線圈層15、 焊點層16、層間連線層17以及互連層18均為銅制成，層間介質(zhì)層19采用氧化硅，氧化鋁， 高分子聚合物制成，互連層18分別與線圈層15以及雙層穩(wěn)定懸浮線圈10以及雙層穩(wěn)定懸 浮線圈10與焊點層16相連，層間連線層17完成層之間的電互連，層間介質(zhì)層19實現(xiàn)層之 間的電絕緣。如圖5所示，為所述的上定子8或下定子9的加工工藝流程，上定子8和下定子9 具有完全相同的結(jié)構(gòu)因此工藝相同，這里只給出了上定子8的加工工藝，做完上定子8后需 要用到雙面光刻工藝來制作下定子9，以保證上定子8和下定子9的圖形完全對準(zhǔn)。如圖5所示，該工藝包括以下步驟步驟a)加工用的基片經(jīng)過清洗； 步驟b)在基片上濺射Cr/Cu種子層；步驟c)光刻工藝，采用光刻膠對基片上的Cr/Cu種子層進(jìn)行如圖形化；
步驟d):電鍍銅互連； 步驟e)去光刻膠；步驟f)電鍍層間互連，然后去掉暴露出來的Cr/Cu種子層； 步驟g)濺射介電材料絕緣層，然后磨平；步驟h)采用與步驟b)_步驟e)相同的工藝過程完成線圈層的制作； 步驟i)濺射介電材料絕緣層，然后將絕緣層磨平，完成上定子的制作；步驟j)采用雙面光刻工藝制作下定子。本實施例具有以下特點采用線圈分離式結(jié)構(gòu)，將雙層穩(wěn)定懸浮線圈放置在定子 靠近中央的位置上，利用穩(wěn)定線圈電磁場在環(huán)形轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)的邊緣效應(yīng)，產(chǎn)生穩(wěn)定懸浮，將旋 轉(zhuǎn)線圈放置在定子的最外側(cè)，這樣增加了旋轉(zhuǎn)線圈電磁場的空間占有體積和電磁力作用力 矩，從而增大微轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)扭力矩；采用盒形微轉(zhuǎn)子，從而，定子就可以制作在盒形微轉(zhuǎn)子的內(nèi)腔中；采用雙定子結(jié)構(gòu)，增加了微轉(zhuǎn)子受到的電磁力，從而增大懸浮剛度和穩(wěn)定剛度； 通過利用定子內(nèi)嵌技術(shù)，在不需要上基體的情況下，實現(xiàn)了雙定子結(jié)構(gòu)；在定子內(nèi)嵌式電磁 懸浮轉(zhuǎn)子微馬達(dá)中，微轉(zhuǎn)子的懸浮高度是不變的，這種結(jié)構(gòu)可以增加微轉(zhuǎn)子的懸浮剛度，并 且微轉(zhuǎn)子的側(cè)向剛度可調(diào)；采用定子內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，定子在不工作時起著對盒形微轉(zhuǎn)子限位 的作用，使得微轉(zhuǎn)子在不工作的時候停留在工作點附近，便于下一次重新啟動；采用組合式 加工方法，首先利用微細(xì)加工方法制造出雙面定子，然后將轉(zhuǎn)子組裝在定子的外側(cè)，最后利 用支撐柱將定子支撐在基體上，這種加工方法減小了定子嵌入式電磁懸浮轉(zhuǎn)子微馬達(dá)的加 工難度。因此，在大大提高微轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和懸浮穩(wěn)定性的同時，提供了一種可行的微馬達(dá)制 作工藝，為實現(xiàn)這種定子內(nèi)嵌式電磁懸浮轉(zhuǎn)子微馬達(dá)提供了 一種有效途徑。
權(quán)利要求
1.一種定子內(nèi)嵌式電磁懸浮轉(zhuǎn)子微馬達(dá)，包括轉(zhuǎn)子以及轉(zhuǎn)動設(shè)置于轉(zhuǎn)子內(nèi)的定子， 其特征在于所述的轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子圓板和聯(lián)結(jié)柱，其中若干聯(lián)結(jié)柱的兩端分別與兩塊轉(zhuǎn)子圓板 垂直固定連接；所述的定子包括支撐柱、基體、基板以及具體有相同結(jié)構(gòu)的上定子和下定子，其中 支撐柱位于轉(zhuǎn)子的圓心且兩端分別與下定子和基板固定連接，上定子和下定子分別固定聯(lián) 結(jié)于基體的上表面和下表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子內(nèi)嵌式電磁懸浮轉(zhuǎn)子微馬達(dá)，其特征是，所述的轉(zhuǎn)子圓 板由相同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子上圓板和轉(zhuǎn)子下圓板組成，其中轉(zhuǎn)子上圓板和轉(zhuǎn)子下圓板與聯(lián)結(jié)柱 兩端固定連接并構(gòu)成盒形微轉(zhuǎn)子，該盒形微轉(zhuǎn)子在上定子和下定子的電磁力作用下穩(wěn)定懸 浮在定子的外緣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子內(nèi)嵌式電磁懸浮轉(zhuǎn)子微馬達(dá)，其特征是，所述的上定子 及下定子表面均設(shè)有雙層穩(wěn)定懸浮線圈、旋轉(zhuǎn)線圈、信號引腳以及信號線，其中雙層穩(wěn)定 懸浮線圈、旋轉(zhuǎn)線圈、信號引腳之間用絕緣介質(zhì)填充，信號線的兩端分別與雙層穩(wěn)定懸浮線 圈及高頻電流源相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子內(nèi)嵌式電磁懸浮轉(zhuǎn)子微馬達(dá)，其特征是，所述的上定子 和下定子由下而上依次由線圈層、焊點層、層間連線層、互連層、層間介質(zhì)層構(gòu)成，其中線 圈層、焊點層、層間連線層以及互連層均為銅制成，層間介質(zhì)層采用氧化硅，氧化鋁，高分子 聚合物制成，互連層分別與線圈層以及雙層穩(wěn)定懸浮線圈以及雙層穩(wěn)定懸浮線圈與焊點層 相連，層間連線層完成層之間的電互連，層間介質(zhì)層實現(xiàn)層之間的電絕緣。
5.一種制備如權(quán)利要求1至4中任一所述定子的半導(dǎo)體加工工藝，其特征在于，包括以 下步驟步驟a)加工用的基片經(jīng)過清洗； 步驟b)在基片上濺射Cr/Cu種子層；步驟c)光刻工藝，采用光刻膠對基片上的Cr/Cu種子層進(jìn)行圖形化； 步驟d):電鍍銅互連； 步驟e)去光刻膠；步驟f)電鍍層間互連，然后去掉暴露出來的Cr/Cu種子層； 步驟g)濺射介電材料絕緣層，然后磨平；步驟h)采用與步驟b)_步驟e)相同的工藝過程完成線圈層的制作； 步驟i)濺射介電材料絕緣層，然后將絕緣層磨平，完成上定子的制作； 步驟j)采用雙面光刻工藝制作下定子。
全文摘要
一種微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的定子內(nèi)嵌式電磁懸浮轉(zhuǎn)子微馬達(dá)，包括轉(zhuǎn)子以及轉(zhuǎn)動設(shè)置于轉(zhuǎn)子內(nèi)的定子，所述的轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子圓板和聯(lián)結(jié)柱，其中若干聯(lián)結(jié)柱的兩端分別與兩塊轉(zhuǎn)子圓板垂直固定連接；所述的定子包括支撐柱、基體、基板以及具體有相同結(jié)構(gòu)的上定子和下定子，其中支撐柱位于轉(zhuǎn)子的圓心且兩端分別與下定子和基板固定連接，上定子和下定子分別固定聯(lián)結(jié)于基體的上表面和下表面。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有理由電磁懸浮體增加了馬達(dá)的自穩(wěn)穩(wěn)定性。
文檔編號H02K15/10GK102148593SQ20111009921
公開日2011年8月10日 申請日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月20日
發(fā)明者吳校生, 張衛(wèi)平, 陳文元 申請人:上海交通大學(xué)