張正中，葛健芽，楊曉紅，方曉汾

(1.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321007；2.浙江大學(xué)，杭州 310058；3.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 衢州 324000)

0 引 言

微型馬達(dá)是以微機(jī)械和微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)中關(guān)鍵的部件之一[1-2]，微型馬達(dá)在信息領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用[3]，目前有駐極體微馬達(dá)、靜電感應(yīng)微馬達(dá)、磁阻微馬達(dá)、壓電超聲波微馬達(dá)和永磁微馬達(dá)等多種類(lèi)型。國(guó)內(nèi)外研究者已對(duì)直徑為1mm左右的各種類(lèi)型微馬達(dá)進(jìn)行了研究[4-8]，其中電磁型微馬達(dá)多以軸向磁通的扁平式微馬達(dá)為研究對(duì)象。

LIGA技術(shù)是一種制作高深寬比金屬微結(jié)構(gòu)的理想方法[9]，已有研究者采用濺射、光刻和精密電鍍等方法制作定子線(xiàn)圈的永磁馬達(dá)[10-12]，其屬于平面堆疊加工，故只能制作扁平式的永磁馬達(dá)。本文設(shè)計(jì)和制作的直徑1.5mm微型永磁同步馬達(dá)，由可撓基材卷曲裝配后與導(dǎo)磁外殼結(jié)合在馬達(dá)定子結(jié)構(gòu)中，可制作成圓筒型永磁微馬達(dá)，通過(guò)樣機(jī)測(cè)試顯示該微型馬達(dá)具有較好的性能，優(yōu)化了組裝步驟、提高工作可靠性和拓展了微型永磁同步馬達(dá)的使用場(chǎng)景。

1 微型馬達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

直徑1.5mm微型永磁同步馬達(dá)的由釹鐵硼永久磁鐵轉(zhuǎn)子、可撓線(xiàn)圈、軸承、不銹鋼軸心和導(dǎo)磁外殼組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。微型馬達(dá)的轉(zhuǎn)子為永久磁鐵釹鐵硼，其定子設(shè)計(jì)為由柔性印刷電路制成的可撓線(xiàn)圈與導(dǎo)磁外殼相結(jié)合[13-14]，驅(qū)動(dòng)原理如圖2(a)所示，此時(shí)轉(zhuǎn)子與定子磁通成直角相交的位置，通過(guò)電子換向線(xiàn)路使得定子上產(chǎn)生跳躍的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，則轉(zhuǎn)子產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。直徑1.5mm微型馬達(dá)采用集中式線(xiàn)圈繞組的三相激磁，微型永磁同步馬達(dá)詳細(xì)規(guī)格參數(shù)如表1所示。

圖1 直徑1.5mm微型永磁同步馬達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 微型永磁同步馬達(dá)驅(qū)動(dòng)原理圖

表1 直徑1.5mm微型永磁同步馬達(dá)規(guī)格參數(shù)

2 微型馬達(dá)定子制作

本研究的微型馬達(dá)利用電鑄制作工藝，把可撓線(xiàn)圈和導(dǎo)磁外殼相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)定子結(jié)構(gòu)的制作?？蓳暇€(xiàn)圈基材選用柔性印刷電路板(FPC)，柔性印刷電路板(FPC)是一種特殊的印制電路板(PCB)，以聚酰亞胺或聚酯薄膜為基材使其具有輕薄且可自由彎曲的優(yōu)點(diǎn)，從而被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品中[15-16]。通過(guò)電鑄技術(shù)整合線(xiàn)圈繞組，制作各種外徑不同的鎳電鍍材料的導(dǎo)磁外殼，該微型馬達(dá)定子制作的方法可以有效的縮小馬達(dá)直徑尺寸、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的繞組設(shè)計(jì)方案。

2.1 可撓線(xiàn)圈制作

LIGA技術(shù)是Lithographie Galvanoformung Abformung的縮寫(xiě)，包括光刻、電鑄、注塑3個(gè)過(guò)程，是制作微馬達(dá)繞組線(xiàn)圈的常用方法[17]，準(zhǔn)LIGA工藝是改進(jìn)的LIGA工藝，它采用了傳統(tǒng)的深紫外線(xiàn)曝光、光刻膠作掩模和電鑄技術(shù)。光刻膠可作為犧牲層來(lái)傳遞掩模圖形，也可直接作為工作部件[18]，厚層光刻膠KMPR是由日本化藥株式會(huì)社和Microchem公司共同開(kāi)發(fā)的，與負(fù)型SU-8厚層光刻膠相比，KMPR在金屬微型元件電鑄后的移除有更多的優(yōu)勢(shì)[19-20]。

因此，本研究微型馬達(dá)所用的可撓線(xiàn)圈制作采用準(zhǔn)LIGA工藝，利用厚層光刻膠KMPR1050制作微模具，以電鑄方法來(lái)制作線(xiàn)圈，在移除厚層光刻膠KMPR1050后，以可撓材料包覆，即完成可撓線(xiàn)圈制作，最后再移除犧牲層，制作工藝如圖3所示。

圖3 可撓線(xiàn)圈制作流程圖

可撓線(xiàn)圈具體制作過(guò)程：(a)清洗硅圓片基片；(b)用濺射機(jī)在硅圓片的表面上濺射一層Cr/Cu，作為犧牲層；(c)在Cr/Cu層上旋轉(zhuǎn)涂布KMPR1050型厚層光刻膠，前烘條件是65℃和95℃下分別為3min；(d)放上掩模，以1920 mJ/cm2進(jìn)行曝光，在65℃和95℃下分別為后烘3min，顯影時(shí)間150s；(e)利用電流0.3A，時(shí)間90min電鑄銅線(xiàn)圈；(f)利用移除液RemoverPG并加熱至70～80℃移除KMPR1050型厚層光刻膠；(g)旋涂制作約70μm厚度的可撓材料，并加熱烘烤；(h)利用FeCl3用水以1∶30比例稀釋并腐蝕，完成可撓線(xiàn)圈的制作。

制作完成的直徑1.5mm微型馬達(dá)可撓線(xiàn)圈如圖4所示，其設(shè)計(jì)線(xiàn)寬為60μm、線(xiàn)距為60μm，匝數(shù)為4匝、銅箔厚度為25μm，用顯微鏡觀(guān)察可撓線(xiàn)圈的質(zhì)量及平面尺寸，實(shí)際測(cè)量線(xiàn)圈寬度為55μm，線(xiàn)圈間距為59μm，如圖5所示。

圖4 可撓線(xiàn)圈實(shí)物圖

圖5 平面尺寸顯微鏡測(cè)量圖

2.2 導(dǎo)磁外殼制作

利用柔性印刷電路板(FPC)可撓曲性的優(yōu)點(diǎn)，將可撓線(xiàn)圈卷成圓筒型，再經(jīng)耐腐蝕膠帶定義非電鑄區(qū)，以丙酮將其表面清洗干凈，外層以銀漆制作導(dǎo)電層，放進(jìn)電鑄槽電鑄成導(dǎo)磁外殼，最后脫模取出即完成定子制作，其流程如圖6所示。

圖6 微型馬達(dá)導(dǎo)磁外殼制作流程

可撓線(xiàn)圈的真圓度將影響馬達(dá)的輸出的穩(wěn)定性，故將可撓線(xiàn)圈固定在塞規(guī)上，以提高馬達(dá)定子的真圓度。為了保持可撓線(xiàn)圈表面潔凈度，以利于金屬沉積于組件上，將可撓線(xiàn)圈浸泡于丙酮，并用超音波震蕩將表面的雜質(zhì)去除，再用去離子水清洗，然后將其放置烤箱將水分烘干。制作導(dǎo)電層時(shí)使用銀漆涂布作為導(dǎo)電層，以錫箔紙作為連接導(dǎo)線(xiàn)，并利用耐腐蝕膠帶將其包覆并固定。電鑄所用設(shè)備如圖7所示，放入電鑄槽中電鑄導(dǎo)磁外殼，為了微馬達(dá)定子表面有更佳的平整與均勻性，故分三階段來(lái)進(jìn)行電鑄，分別以0.005A、0.01A和0.05A電流電鑄20min、20min和25min。電鑄完成后的微型馬達(dá)定子如圖8所示。

圖7 電鑄所用設(shè)備圖

圖8 電鑄完成馬達(dá)定子

3 微型馬達(dá)的組裝與測(cè)試

微型零部件的制作和組裝技術(shù)是微型永磁馬達(dá)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，由于本研究直徑1.5mm微型馬達(dá)氣隙較小，必須提高各零部件的尺寸、表面粗糙度和同心度的精度，否則微型馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸偏心度大，永久磁鐵的轉(zhuǎn)子會(huì)吸附在導(dǎo)磁定子上。同時(shí)，為了保持平衡，微型馬達(dá)組裝過(guò)程中的中心定位要精準(zhǔn)，且定子繞組不可損傷。制作完成后的直徑1.5mm微型馬達(dá)零部件及裝配完成實(shí)物如圖9所示。

3.1 微型馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速的測(cè)試

最高轉(zhuǎn)速測(cè)試時(shí)微型馬達(dá)為單相激磁，步進(jìn)角為120°，使用開(kāi)回路驅(qū)動(dòng)，馬達(dá)可撓線(xiàn)圈的銅箔厚度為25μm，經(jīng)過(guò)最大電流測(cè)試，其最大電流為0.45A，但是經(jīng)過(guò)幾秒鐘可撓線(xiàn)圈因過(guò)熱而燒毀，因此選用微型馬達(dá)的最大電流為0.2A以保證工作的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)測(cè)試，直徑1.5mm微型馬達(dá)最大頻率為350Hz，可達(dá)最高轉(zhuǎn)速7000 r/min。使用開(kāi)回路驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，在最大電流0.2A下量測(cè)馬達(dá)線(xiàn)圈兩端電壓訊號(hào)，并于線(xiàn)圈后接上1Ω電阻量測(cè)電流信號(hào)，直徑1.5mm馬達(dá)激磁頻率為350Hz即7000 r/min時(shí)，測(cè)量單相線(xiàn)圈激磁信號(hào)、定子線(xiàn)圈電壓信號(hào)、電流信號(hào)，如圖10所示。

3.2 微型馬達(dá)轉(zhuǎn)速-反電動(dòng)勢(shì)曲線(xiàn)的測(cè)量

將微型馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)裝置的聯(lián)軸器相連接，驅(qū)動(dòng)待測(cè)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，并以PHOTON動(dòng)態(tài)信號(hào)頻譜分析儀、TDS2014示波器來(lái)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)波形和均方根值，檢測(cè)實(shí)物圖如圖11所示。

圖11 微馬達(dá)轉(zhuǎn)速-反電動(dòng)勢(shì)測(cè)試實(shí)物圖

分別以7種轉(zhuǎn)速對(duì)微型馬達(dá)進(jìn)行測(cè)量，重復(fù)3次檢測(cè)并取平均值。具體結(jié)果如表2所示，圖12為微馬達(dá)轉(zhuǎn)速為12000r/min反電動(dòng)勢(shì)波形圖。

圖12 微型馬達(dá)轉(zhuǎn)速12000r/min時(shí)反電動(dòng)勢(shì)波形圖

表2 微型馬達(dá)不同轉(zhuǎn)速下測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)峰值/(mV)

3.3 微型馬達(dá)軸偏擺測(cè)試

將測(cè)試的微型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，利用基恩士LK-G10激光位移傳感器產(chǎn)生的激光束投射在微型馬達(dá)軸心上產(chǎn)生光點(diǎn)，微型馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)軸心會(huì)產(chǎn)生上下的偏擺位移量，光點(diǎn)沿著激光束的路徑方向移動(dòng)，并以TDS2014示波器、實(shí)時(shí)控制軟件LK-navigator來(lái)檢測(cè)軸心的位移量，檢測(cè)設(shè)備如圖13所示。測(cè)試結(jié)果顯示，直徑1.5mm微型永磁同步馬達(dá)的軸偏擺為22μm，如圖14所示。

圖13 微型馬達(dá)軸偏擺檢測(cè)設(shè)備圖

圖14 微型馬達(dá)軸偏擺測(cè)量圖

4 結(jié) 論

研制一種直徑1.5mm微型永磁同步馬達(dá)，馬達(dá)定子利用電鑄工藝將可撓線(xiàn)圈與導(dǎo)磁外殼相結(jié)合。采用準(zhǔn)LIGA工藝，使用厚層光刻膠KMPR1050制作微模具，以電鑄方法來(lái)制作可撓線(xiàn)圈，再利用電鑄工藝將可撓線(xiàn)圈與導(dǎo)磁外殼相結(jié)合制作直徑1.5mm微馬達(dá)的定子，有效優(yōu)化了微型馬達(dá)的尺寸和制作裝配程序。

完成了直徑1.5mm微馬達(dá)的組裝，通過(guò)樣機(jī)測(cè)試結(jié)果顯示該微型馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)7000r/min，軸偏擺為22μm，為微型永磁同步馬達(dá)進(jìn)一步設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了一定的參考價(jià)值。