工業(yè)泵網(wǎng) 設(shè)計分析利用技術(shù)研制超微步進電機伊福廷，彭良強，張菊芳，韓勇（中國科學(xué)院高能物理研究所，北京100039）計、加工方法以及該電機的掃描電鏡照片等。該電機的轉(zhuǎn)子和定子由LIGA技術(shù)制造完成，線圈由手工在顯微鏡下繞制完成，轉(zhuǎn)子直徑2mm，整個電機直徑5mm.
技術(shù)1簡介超微電機是微機械系統(tǒng)中重要的執(zhí)行元件之一，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和平行運動。微電機有靜電式、電磁式等多種結(jié)構(gòu)形式，國內(nèi)有清華大學(xué)、上海交通大學(xué)進行了微電機的制造，并已取得了很好的研究結(jié)果。
微加工技術(shù)有很多加工手段，有硅技術(shù)、LIGA技術(shù)、SU8技術(shù)、電火花加工、電解加工、激光加工、傳統(tǒng)的車銑等多種方法。清華大學(xué)和上海交通大學(xué)就是主要利用硅加工技術(shù)完成了微電機的制造。
LIGA技術(shù)是80年代末發(fā)展起來的微加工技（電鑄） ， Abformung（塑鑄）三個字的字頭縮寫，包括光刻、電鑄和塑鑄三個主要工藝環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)深度可以達到毫米或厘米。LIGA工藝中首先是同步輻射光刻，光刻膠經(jīng)過曝光顯影后得到一光刻膠的膠模，也是深度微結(jié)構(gòu)最為原始的結(jié)構(gòu)然后利用電鑄工藝，將這一膠模轉(zhuǎn)換成塑鑄所用的金屬模具最后利用金屬模具進行大批量生產(chǎn)塑料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，或大批量復(fù)制再電鑄所需要的非金屬模，再利用電鑄工藝將復(fù)制出的塑料模大批量轉(zhuǎn)換成金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。 LIGA技術(shù)是微加工技術(shù)的重要手段，也是微機械系統(tǒng)制造較為適合的加工方法，在微機械等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景，已經(jīng)制造出光纖連接器、熱交換器、齒輪、微泵、電機等許多的微機械器件，有些器件已經(jīng)投入使用。
LIGA技術(shù)是利用光刻技術(shù)進行微機械結(jié)構(gòu)和零件的加工，而光刻技術(shù)又是電子器件生產(chǎn)的一種方法，因此在方法上就實現(xiàn)了微電子與微機械的結(jié)合，為微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展提供了一種強有力的實現(xiàn)方法。
該技術(shù)是利用同步輻射X光光刻技術(shù)制造原始膠結(jié)構(gòu)，由于同步輻射光刻的優(yōu)越性能，使LIGA技術(shù)具有其它技術(shù)所無法相比的優(yōu)越性能，其優(yōu)點：（ 1）任意橫向尺寸的結(jié)構(gòu)（ 2）最小尺寸可達0. 2Lm（ 3）高寬比最大可達500（ 4）結(jié)構(gòu)表面粗糙度在亞微米范圍，達30nm（ 5）廣泛的材料選擇，可以是PM MA等有機材料，也可以是Ni等金屬或金屬合金材料（ 6）注塑技術(shù)可以進行大批量，低成本生產(chǎn)。
BSRF自1993年起開始從事LIGA技術(shù)的研究工作，取得了許多研究成果，基本上完成了除塑鑄外的整個工藝過程。在進行基礎(chǔ)工藝研究的同時，進行了應(yīng)用技術(shù)的研究：懸空金屬微條探測器、微加速度計、微鑷子、正電子慢化器及微電機等，其中超微步進電機就是一重要應(yīng)用研究方向，并已取得了很好的研究成果。
超微步進電機是微機械系統(tǒng)中重要的執(zhí)行元件，微機械系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動和移動動作都可以用超微步進電機來完成。超微步進電機是較為復(fù)雜的微機械器件，包括轉(zhuǎn)子、定子、軸、軸承、線圈、磁棒、驅(qū)動電源等。我們在吸收和消化國內(nèi)外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的微電機設(shè)計思想，使該電機具有很好的結(jié)構(gòu)性能。通過利用上犧牲層技術(shù)（已申請了國家發(fā)明專利） ，將分散的電機定子很好地結(jié)合起來，從而可以作為一個完整的部件進行裝配2設(shè)計原理超微步進電機在運行原理上與傳統(tǒng)的步進 電機沒有本質(zhì)的區(qū)別，考慮到微型電機的一些制造特點，電機的轉(zhuǎn)子采用了軟磁材料，以便滿足制造工藝的需要。圖1為步進電機的原理圖。電機采用四極，轉(zhuǎn)子為50個齒，每個定子為5個齒，四對定子電極角度分布相差1/ 4齒間距。在一對定子與轉(zhuǎn)子磁力吸合時，其相鄰的定子對的齒將與轉(zhuǎn)子齒保持1/ 4齒的角間距，這樣在下一步改變定子的磁力時，轉(zhuǎn)子齒將與下一個定子齒磁力吸合，從而旋轉(zhuǎn)1/ 4齒距的角度。通過不斷改變四對定子齒的磁力，轉(zhuǎn)子就會每次以1/ 4齒距的角度轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)步進的效果四對定子的磁力是靠四個纏繞線圈的磁棒分別提供的，線圈由一脈沖電源提供電力供應(yīng)，這樣通過改變電源的脈沖頻率，就可以控制電機轉(zhuǎn)子的步進頻率，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。
電機的力矩是通過電磁學(xué)理論計算出來。圖2為電機轉(zhuǎn)子和定子的一對齒的所受磁力作用情況。
從安培的電磁場環(huán)流定律和能量守恒，我們可以得到轉(zhuǎn)子齒所受的力和力矩：式中： S）空氣間隙的表面積，）空氣間隙的距離，）材料的相對磁導(dǎo)率，R ）轉(zhuǎn)子半徑，L ）磁鐵回路距離。
3工藝過程利用LIGA技術(shù)來制造這一電機，工藝過程如圖3所示。首先是LIGA技術(shù)的常規(guī)工藝流程，包括在鈦片上涂PMMA光刻膠，同步輻射光刻，電鑄鎳然后是制造轉(zhuǎn)子所需要的犧牲層，包括涂AZ1350光刻膠，套刻，顯影，蒸鍍金屬銅膜，將金屬銅膜用電鍍的方法加厚到0. 5mm，并利用機械方法在加厚的銅體上鉆孔，以使導(dǎo)磁棒從中穿過最后將鈦片、PMMA和犧牲層去除掉，并將帶有線圈的導(dǎo)磁棒安裝到定子的插孔內(nèi)，這樣電機就裝配完畢。線圈是在顯微鏡下由手工繞制而成，漆包線的直徑為50Lm，可通電流100mA.磁棒是普通的鐵絲，直徑為0. 5mm.脈沖電源由常規(guī)步進電機的驅(qū)動電源改造完成，脈沖頻率4參數(shù)的確定從扭矩的計算公式中，我們可以看到，扭矩與轉(zhuǎn)子半徑R、空氣間隙的表面積S、線圈的電流和圈數(shù)的平方成正比，與空氣間隙的距離和磁鐵回路平方成反比。對于上述LIGA工藝路線的考慮，以及能夠有一定的輸出扭矩，我們選電機的轉(zhuǎn)子半徑R= 1mm，= 0. 03mm，選用鎳為磁性材料， L 2000，轉(zhuǎn)子厚度選用LIGA技術(shù)通常能達到的水平Tm/ A.我們就可以得到一扭矩和偏角的函數(shù)，圖4是這一扭矩與偏轉(zhuǎn)角的函數(shù)曲線，從這一曲線上看，當(dāng)H= 45b時，扭矩達到最大， T利用LIGA技術(shù)研制超微步進電機由于采用了獨特的上犧牲層技術(shù)，使該電機具有良好的結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)。圖5為該電機的掃描電鏡照片，中間為轉(zhuǎn)子，四周為分散的四對（八個）定子。
四對定子的齒分布相差1/ 4齒間距，通過依次對不同定子對施加磁場，就可使轉(zhuǎn)子齒與不同定子齒相吸合，這樣轉(zhuǎn)子就會以每步1/ 4齒間距的角度轉(zhuǎn)動。定子對的磁力是靠4個線圈產(chǎn)生的磁力來提供的， 4個線圈由一脈沖電源提供電力供應(yīng)。導(dǎo)磁棒通過銅的基片插入定子的孔內(nèi)。目前，該電機已能夠在脈沖電源的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動速度為60r/ min.
5結(jié)論利用LIGA技術(shù)來制造超微電機的優(yōu)勢，就在于它可以制造出較厚的結(jié)構(gòu)，這樣可以得到較大的輸出扭矩。從計算的結(jié)果看，該電機有很大的輸出扭矩，能夠滿足微產(chǎn)品的需要。
該電機由多個部件組成，其中轉(zhuǎn)子和定子由LIGA技術(shù)完成，線圈由手工在顯微鏡下繞制完成。目前，電機的轉(zhuǎn)子和定子由鎳材料制造，線圈的導(dǎo)磁棒是鐵材料，從導(dǎo)磁的角度來說，這些材料都不是最好的材料轉(zhuǎn)子和定子的結(jié)構(gòu)尺寸也不是最佳尺寸，所以還需要進一步的優(yōu)化脈沖驅(qū)動電源是常規(guī)電源改造完成，并不是專用電源，其脈沖結(jié)構(gòu)還需要改進。
在以上這樣的條件下，轉(zhuǎn)子能夠轉(zhuǎn)動，這充分證明了該電機設(shè)計的可行性，結(jié)構(gòu)的合理性。在以后的工作中，將對以上的因素進行改進和優(yōu)化，這樣該電機的性能將會有更大的提高，為實用化提供了保證。
為了減小電機裝配的困難和其它一些條件的限制，該電機設(shè)計的尺寸還較大，還需要對一些尺寸進行限制，使其整體尺寸小下來。目前的導(dǎo)磁棒是利用了現(xiàn)有的材料，其尺寸過大導(dǎo)致了電機整體尺寸的加大。在下一步的設(shè)計和制造中，將采用特制的磁棒尺寸，以及減小轉(zhuǎn)子的尺寸，就能夠很好地將電機的整體尺寸小下來。
伊福廷，張菊芳，唐鄂生，等。上犧牲層加工方法` P` .申請?zhí)枺阂粮Ｍ?，唐鄂生，晉明，等。利用LIGA技術(shù)制造電磁式微型步進電機` C` .第九屆全國電子束、離子束、光子束學(xué)術(shù)年會論文集，方向為LIGA技術(shù)。
4結(jié)束語隨著工業(yè)生產(chǎn)和計算機技術(shù)的發(fā)展，微型計算機在控制步進電動機方面的應(yīng)用將越來越廣泛。在計算機控制下，控制程序的設(shè)計是十分重要的。本文所提出的控制程序設(shè)計方法具有較大的通用性，且用戶界面友好，在實際使用過程中受到用戶的好評。以本文所提出的控制程序設(shè)計為基礎(chǔ)，再根據(jù)步進電動機的具體使用環(huán)境，嵌入合適的控制算法，可完成各種需要復(fù)雜運動的步進電動機控制系統(tǒng)設(shè)計。
鄒逢興。微型計算機接口原理與技術(shù)` M ` .長沙：國防科技大學(xué)出版社， 1997.
劉少克，袁海洲，陸勝旺。步進電動機驅(qū)動的計算機控制方法術(shù)和機電一體化控制技術(shù)。
技術(shù)1簡介超微電機是微機械系統(tǒng)中重要的執(zhí)行元件之一，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和平行運動。微電機有靜電式、電磁式等多種結(jié)構(gòu)形式，國內(nèi)有清華大學(xué)、上海交通大學(xué)進行了微電機的制造，并已取得了很好的研究結(jié)果。
微加工技術(shù)有很多加工手段，有硅技術(shù)、LIGA技術(shù)、SU8技術(shù)、電火花加工、電解加工、激光加工、傳統(tǒng)的車銑等多種方法。清華大學(xué)和上海交通大學(xué)就是主要利用硅加工技術(shù)完成了微電機的制造。
LIGA技術(shù)是80年代末發(fā)展起來的微加工技（電鑄） ， Abformung（塑鑄）三個字的字頭縮寫，包括光刻、電鑄和塑鑄三個主要工藝環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)深度可以達到毫米或厘米。LIGA工藝中首先是同步輻射光刻，光刻膠經(jīng)過曝光顯影后得到一光刻膠的膠模，也是深度微結(jié)構(gòu)最為原始的結(jié)構(gòu)然后利用電鑄工藝，將這一膠模轉(zhuǎn)換成塑鑄所用的金屬模具最后利用金屬模具進行大批量生產(chǎn)塑料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，或大批量復(fù)制再電鑄所需要的非金屬模，再利用電鑄工藝將復(fù)制出的塑料模大批量轉(zhuǎn)換成金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。 LIGA技術(shù)是微加工技術(shù)的重要手段，也是微機械系統(tǒng)制造較為適合的加工方法，在微機械等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景，已經(jīng)制造出光纖連接器、熱交換器、齒輪、微泵、電機等許多的微機械器件，有些器件已經(jīng)投入使用。
LIGA技術(shù)是利用光刻技術(shù)進行微機械結(jié)構(gòu)和零件的加工，而光刻技術(shù)又是電子器件生產(chǎn)的一種方法，因此在方法上就實現(xiàn)了微電子與微機械的結(jié)合，為微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展提供了一種強有力的實現(xiàn)方法。
該技術(shù)是利用同步輻射X光光刻技術(shù)制造原始膠結(jié)構(gòu)，由于同步輻射光刻的優(yōu)越性能，使LIGA技術(shù)具有其它技術(shù)所無法相比的優(yōu)越性能，其優(yōu)點：（ 1）任意橫向尺寸的結(jié)構(gòu)（ 2）最小尺寸可達0. 2Lm（ 3）高寬比最大可達500（ 4）結(jié)構(gòu)表面粗糙度在亞微米范圍，達30nm（ 5）廣泛的材料選擇，可以是PM MA等有機材料，也可以是Ni等金屬或金屬合金材料（ 6）注塑技術(shù)可以進行大批量，低成本生產(chǎn)。
BSRF自1993年起開始從事LIGA技術(shù)的研究工作，取得了許多研究成果，基本上完成了除塑鑄外的整個工藝過程。在進行基礎(chǔ)工藝研究的同時，進行了應(yīng)用技術(shù)的研究：懸空金屬微條探測器、微加速度計、微鑷子、正電子慢化器及微電機等，其中超微步進電機就是一重要應(yīng)用研究方向，并已取得了很好的研究成果。
超微步進電機是微機械系統(tǒng)中重要的執(zhí)行元件，微機械系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動和移動動作都可以用超微步進電機來完成。超微步進電機是較為復(fù)雜的微機械器件，包括轉(zhuǎn)子、定子、軸、軸承、線圈、磁棒、驅(qū)動電源等。我們在吸收和消化國內(nèi)外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的微電機設(shè)計思想，使該電機具有很好的結(jié)構(gòu)性能。通過利用上犧牲層技術(shù)（已申請了國家發(fā)明專利） ，將分散的電機定子很好地結(jié)合起來，從而可以作為一個完整的部件進行裝配2設(shè)計原理超微步進電機在運行原理上與傳統(tǒng)的步進 電機沒有本質(zhì)的區(qū)別，考慮到微型電機的一些制造特點，電機的轉(zhuǎn)子采用了軟磁材料，以便滿足制造工藝的需要。圖1為步進電機的原理圖。電機采用四極，轉(zhuǎn)子為50個齒，每個定子為5個齒，四對定子電極角度分布相差1/ 4齒間距。在一對定子與轉(zhuǎn)子磁力吸合時，其相鄰的定子對的齒將與轉(zhuǎn)子齒保持1/ 4齒的角間距，這樣在下一步改變定子的磁力時，轉(zhuǎn)子齒將與下一個定子齒磁力吸合，從而旋轉(zhuǎn)1/ 4齒距的角度。通過不斷改變四對定子齒的磁力，轉(zhuǎn)子就會每次以1/ 4齒距的角度轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)步進的效果四對定子的磁力是靠四個纏繞線圈的磁棒分別提供的，線圈由一脈沖電源提供電力供應(yīng)，這樣通過改變電源的脈沖頻率，就可以控制電機轉(zhuǎn)子的步進頻率，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。
電機的力矩是通過電磁學(xué)理論計算出來。圖2為電機轉(zhuǎn)子和定子的一對齒的所受磁力作用情況。
從安培的電磁場環(huán)流定律和能量守恒，我們可以得到轉(zhuǎn)子齒所受的力和力矩：式中： S）空氣間隙的表面積，）空氣間隙的距離，）材料的相對磁導(dǎo)率，R ）轉(zhuǎn)子半徑，L ）磁鐵回路距離。
3工藝過程利用LIGA技術(shù)來制造這一電機，工藝過程如圖3所示。首先是LIGA技術(shù)的常規(guī)工藝流程，包括在鈦片上涂PMMA光刻膠，同步輻射光刻，電鑄鎳然后是制造轉(zhuǎn)子所需要的犧牲層，包括涂AZ1350光刻膠，套刻，顯影，蒸鍍金屬銅膜，將金屬銅膜用電鍍的方法加厚到0. 5mm，并利用機械方法在加厚的銅體上鉆孔，以使導(dǎo)磁棒從中穿過最后將鈦片、PMMA和犧牲層去除掉，并將帶有線圈的導(dǎo)磁棒安裝到定子的插孔內(nèi)，這樣電機就裝配完畢。線圈是在顯微鏡下由手工繞制而成，漆包線的直徑為50Lm，可通電流100mA.磁棒是普通的鐵絲，直徑為0. 5mm.脈沖電源由常規(guī)步進電機的驅(qū)動電源改造完成，脈沖頻率4參數(shù)的確定從扭矩的計算公式中，我們可以看到，扭矩與轉(zhuǎn)子半徑R、空氣間隙的表面積S、線圈的電流和圈數(shù)的平方成正比，與空氣間隙的距離和磁鐵回路平方成反比。對于上述LIGA工藝路線的考慮，以及能夠有一定的輸出扭矩，我們選電機的轉(zhuǎn)子半徑R= 1mm，= 0. 03mm，選用鎳為磁性材料， L 2000，轉(zhuǎn)子厚度選用LIGA技術(shù)通常能達到的水平Tm/ A.我們就可以得到一扭矩和偏角的函數(shù)，圖4是這一扭矩與偏轉(zhuǎn)角的函數(shù)曲線，從這一曲線上看，當(dāng)H= 45b時，扭矩達到最大， T利用LIGA技術(shù)研制超微步進電機由于采用了獨特的上犧牲層技術(shù)，使該電機具有良好的結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)。圖5為該電機的掃描電鏡照片，中間為轉(zhuǎn)子，四周為分散的四對（八個）定子。
四對定子的齒分布相差1/ 4齒間距，通過依次對不同定子對施加磁場，就可使轉(zhuǎn)子齒與不同定子齒相吸合，這樣轉(zhuǎn)子就會以每步1/ 4齒間距的角度轉(zhuǎn)動。定子對的磁力是靠4個線圈產(chǎn)生的磁力來提供的， 4個線圈由一脈沖電源提供電力供應(yīng)。導(dǎo)磁棒通過銅的基片插入定子的孔內(nèi)。目前，該電機已能夠在脈沖電源的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動速度為60r/ min.
5結(jié)論利用LIGA技術(shù)來制造超微電機的優(yōu)勢，就在于它可以制造出較厚的結(jié)構(gòu)，這樣可以得到較大的輸出扭矩。從計算的結(jié)果看，該電機有很大的輸出扭矩，能夠滿足微產(chǎn)品的需要。
該電機由多個部件組成，其中轉(zhuǎn)子和定子由LIGA技術(shù)完成，線圈由手工在顯微鏡下繞制完成。目前，電機的轉(zhuǎn)子和定子由鎳材料制造，線圈的導(dǎo)磁棒是鐵材料，從導(dǎo)磁的角度來說，這些材料都不是最好的材料轉(zhuǎn)子和定子的結(jié)構(gòu)尺寸也不是最佳尺寸，所以還需要進一步的優(yōu)化脈沖驅(qū)動電源是常規(guī)電源改造完成，并不是專用電源，其脈沖結(jié)構(gòu)還需要改進。
在以上這樣的條件下，轉(zhuǎn)子能夠轉(zhuǎn)動，這充分證明了該電機設(shè)計的可行性，結(jié)構(gòu)的合理性。在以后的工作中，將對以上的因素進行改進和優(yōu)化，這樣該電機的性能將會有更大的提高，為實用化提供了保證。
為了減小電機裝配的困難和其它一些條件的限制，該電機設(shè)計的尺寸還較大，還需要對一些尺寸進行限制，使其整體尺寸小下來。目前的導(dǎo)磁棒是利用了現(xiàn)有的材料，其尺寸過大導(dǎo)致了電機整體尺寸的加大。在下一步的設(shè)計和制造中，將采用特制的磁棒尺寸，以及減小轉(zhuǎn)子的尺寸，就能夠很好地將電機的整體尺寸小下來。
伊福廷，張菊芳，唐鄂生，等。上犧牲層加工方法` P` .申請?zhí)枺阂粮Ｍ?，唐鄂生，晉明，等。利用LIGA技術(shù)制造電磁式微型步進電機` C` .第九屆全國電子束、離子束、光子束學(xué)術(shù)年會論文集，方向為LIGA技術(shù)。
4結(jié)束語隨著工業(yè)生產(chǎn)和計算機技術(shù)的發(fā)展，微型計算機在控制步進電動機方面的應(yīng)用將越來越廣泛。在計算機控制下，控制程序的設(shè)計是十分重要的。本文所提出的控制程序設(shè)計方法具有較大的通用性，且用戶界面友好，在實際使用過程中受到用戶的好評。以本文所提出的控制程序設(shè)計為基礎(chǔ)，再根據(jù)步進電動機的具體使用環(huán)境，嵌入合適的控制算法，可完成各種需要復(fù)雜運動的步進電動機控制系統(tǒng)設(shè)計。
鄒逢興。微型計算機接口原理與技術(shù)` M ` .長沙：國防科技大學(xué)出版社， 1997.
劉少克，袁海洲，陸勝旺。步進電動機驅(qū)動的計算機控制方法術(shù)和機電一體化控制技術(shù)。