利用LIGA技术研制超微步进电机

核心提示：　　超微电机是微机械系统中重要的执行元件之一，可实现转动和平行运动。微电机有静电式、电磁式等多种结构形式，国内有清华大学

　　超微电机是微机械系统中重要的执行元件之一，可实现转动和平行运动。微电机有静电式、电磁式等多种结构形式，国内有清华大学、上海交通大学进行了微电机的制造，并已取得了很好的研究结果。

　　微加工技术有很多加工手段，有硅技术、LIGA技术、SU8技术、电火花加工、电解加工、激光加工、传统的车铣等多种方法。清华大学和上海交通大学就是主要利用硅加工技术完成了微电机的制造。

　　LIGA技术是80年代末发展起来的微加工技（电铸） ， Abformung（塑铸）三个字的字头缩写，包括光刻、电铸和塑铸三个主要工艺环节，其结构深度可以达到毫米或厘米。LIGA工艺中首先是同步辐射光刻，光刻胶经过曝光显影后得到一光刻胶的胶模，也是深度微结构最为原始的结构然后利用电铸工艺，将这一胶模转换成塑铸所用的金属模具最后利用金属模具进行大批量生产塑料结构产品，或大批量复制再电铸所需要的非金属模，再利用电铸工艺将复制出的塑料模大批量转换成金属结构产品。LIGA技术是微加工技术的重要手段，也是微机械系统制造较为适合的加工方法，在微机械等领域有着良好的应用前景，已经制造出光纤连接器、热交换器、齿轮、微泵、电机等许多的微机械器件，有些器件已经投入使用。

　　LIGA技术是利用光刻技术进行微机械结构和零件的加工，而光刻技术又是电子器件生产的一种方法，因此在方法上就实现了微电子与微机械的结合，为微系统技术发展提供了一种强有力的实现方法。

　　该技术是利用同步辐射X光光刻技术制造原始胶结构，由于同步辐射光刻的优越性能，使LIGA技术具有其它技术所无法相比的优越性能，其优点：（ 1）任意横向尺寸的结构（ 2）最小尺寸可达0. 2Lm（ 3）高宽比最大可达500（ 4）结构表面粗糙度在亚微米范围，达30nm（ 5）广泛的材料选择，可以是PM MA等有机材料，也可以是Ni等金属或金属合金材料（ 6）注塑技术可以进行大批量，低成本生产。

　　BSRF自1993年起开始从事LIGA技术的研究工作，取得了许多研究成果，基本上完成了除塑铸外的整个工艺过程。在进行基础工艺研究的同时，进行了应用技术的研究：悬空金属微条探测器、微加速度计、微镊子、正电子慢化器及微电机等，其中超微步进电机就是一重要应用研究方向，并已取得了很好的研究成果。

　　超微步进电机是微机械系统中重要的执行元件，微机械系统中的转动和移动动作都可以用超微步进电机来完成。超微步进电机是较为复杂的微机械器件，包括转子、定子、轴、轴承、线圈、磁棒、驱动电源等。我们在吸收和消化国内外先进技术的基础上，提出了一种新的微电机设计思想，使该电机具有很好的结构性能。通过利用上牺牲层技术（已申请了国家发明专利） ，将分散的电机定子很好地结合起来，从而可以作为一个完整的部件进行装配2设计原理超微步进电机在运行原理上与传统的步进电机没有本质的区别，考虑到微型电机的一些制造特点，电机的转子采用了软磁材料，以便满足制造工艺的需要。图1为步进电机的原理图。电机采用四极，转子为50个齿，每个定子为5个齿，四对定子电极角度分布相差1/ 4齿间距。在一对定子与转子磁力吸合时，其相邻的定子对的齿将与转子齿保持1/ 4齿的角间距，这样在下一步改变定子的磁力时，转子齿将与下一个定子齿磁力吸合，从而旋转1/ 4齿距的角度。通过不断改变四对定子齿的磁力，转子就会每次以1/ 4齿距的角度转动，实现步进的效果四对定子的磁力是靠四个缠绕线圈的磁棒分别提供的，线圈由一脉冲电源提供电力供应，这样通过改变电源的脉冲频率，就可以控制电机转子的步进频率，从而控制电机的转速。

　　电机的力矩是通过电磁学理论计算出来。图2为电机转子和定子的一对齿的所受磁力作用情况。

　　从安培的电磁场环流定律和能量守恒，我们可以得到转子齿所受的力和力矩：式中： S）空气间隙的表面积，）空气间隙的距离，）材料的相对磁导率，R ）转子半径，L ）磁铁回路距离。

　　3工艺过程利用LIGA技术来制造这一电机，工艺过程如图3所示。首先是LIGA技术的常规工艺流程，包括在钛片上涂PMMA光刻胶，同步辐射光刻，电铸镍然后是制造转子所需要的牺牲层，包括涂AZ1350光刻胶，套刻，显影，蒸镀金属铜膜，将金属铜膜用电镀的方法加厚到0. 5mm，并利用机械方法在加厚的铜体上钻孔，以使导磁棒从中穿过最后将钛片、PMMA和牺牲层去除掉，并将带有线圈的导磁棒安装到定子的插孔内，这样电机就装配完毕。线圈是在显微镜下由手工绕制而成，漆包线的直径为50Lm，可通电流100mA.磁棒是普通的铁丝，直径为0. 5mm.脉冲电源由常规步进电机的驱动电源改造完成，脉冲频率4参数的确定从扭矩的计算公式中，我们可以看到，扭矩与转子半径R、空气间隙的表面积S、线圈的电流和圈数的平方成正比，与空气间隙的距离和磁铁回路平方成反比。对于上述LIGA工艺路线的考虑，以及能够有一定的输出扭矩，我们选电机的转子半径R= 1mm，= 0. 03mm，选用镍为磁性材料， L 2000，转子厚度选用LIGA技术通常能达到的水平Tm/ A.我们就可以得到一扭矩和偏角的函数，图4是这一扭矩与偏转角的函数曲线，从这一曲线上看，当H= 45b时，扭矩达到最大， T利用LIGA技术研制超微步进电机由于采用了独特的上牺牲层技术，使该电机具有良好的结构和性能指标。图5为该电机的扫描电镜照片，中间为转子，四周为分散的四对（八个）定子。

　　四对定子的齿分布相差1/ 4齿间距，通过依次对不同定子对施加磁场，就可使转子齿与不同定子齿相吸合，这样转子就会以每步1/ 4齿间距的角度转动。定子对的磁力是靠4个线圈产生的磁力来提供的， 4个线圈由一脉冲电源提供电力供应。导磁棒通过铜的基片插入定子的孔内。目前，该电机已能够在脉冲电源的驱动下转动，转动速度为60r/ min.

　　5结论利用LIGA技术来制造超微电机的优势，就在于它可以制造出较厚的结构，这样可以得到较大的输出扭矩。从计算的结果看，该电机有很大的输出扭矩，能够满足微产品的需要。

　　该电机由多个部件组成，其中转子和定子由LIGA技术完成，线圈由手工在显微镜下绕制完成。目前，电机的转子和定子由镍材料制造，线圈的导磁棒是铁材料，从导磁的角度来说，这些材料都不是最好的材料转子和定子的结构尺寸也不是最佳尺寸，所以还需要进一步的优化脉冲驱动电源是常规电源改造完成，并不是专用电源，其脉冲结构还需要改进。

　　在以上这样的条件下，转子能够转动，这充分证明了该电机设计的可行性，结构的合理性。在以后的工作中，将对以上的因素进行改进和优化，这样该电机的性能将会有更大的提高，为实用化提供了保证。

　　为了减小电机装配的困难和其它一些条件的限制，该电机设计的尺寸还较大，还需要对一些尺寸进行限制，使其整体尺寸小下来。目前的导磁棒是利用了现有的材料，其尺寸过大导致了电机整体尺寸的加大。在下一步的设计和制造中，将采用特制的磁棒尺寸，以及减小转子的尺寸，就能够很好地将电机的整体尺寸小下来。

　　伊福廷，张菊芳，唐鄂生，等。上牺牲层加工方法[ P] .申请号：伊福廷，唐鄂生，晋明，等。利用LIGA技术制造电磁式微型步进电机[ C] .第九届全国电子束、离子束、光子束学术年会论文集，方向为LIGA技术。

　　4结束语随着工业生产和计算机技术的发展，微型计算机在控制步进电动机方面的应用将越来越广泛。在计算机控制下，控制程序的设计是十分重要的。本文所提出的控制程序设计方法具有较大的通用性，且用户界面友好，在实际使用过程中受到用户的好评。以本文所提出的控制程序设计为基础，再根据步进电动机的具体使用环境，嵌入合适的控制算法，可完成各种需要复杂运动的步进电动机控制系统设计。