工業泵網  設計分析利用技術研制超微步進電機伊福廷，彭良強，張菊芳，韓勇（中國科學院高能物理研究所，北京100039）計、加工方法以及該電機的掃描電鏡照片等。該電機的轉子和定子由LIGA技術制造完成，線圈由手工在顯微鏡下繞制完成，轉子直徑2mm，整個電機直徑5mm.
技術1簡介超微電機是微機械系統中重要的執行元件之一，可實現轉動和平行運動。微電機有靜電式、電磁式等多種結構形式，國內有清華大學、上海交通大學進行了微電機的制造，并已取得了很好的研究結果。
 微加工技術有很多加工手段，有硅技術、LIGA技術、SU8技術、電火花加工、電解加工、激光加工、傳統的車銑等多種方法。清華大學和上海交通大學就是主要利用硅加工技術完成了微電機的制造。
LIGA技術是80年代末發展起來的微加工技（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節，其結構深度可以達到毫米或厘米。LIGA工藝中首先是同步輻射光刻，光刻膠經過曝光顯影后得到一光刻膠的膠模，也是深度微結構最為原始的結構然后利用電鑄工藝，將這一膠模轉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塑料結構產品，或大批量復制再電鑄所需要的非金屬模，再利用電鑄工藝將復制出的塑料模大批量轉換成金屬結構產品。 LIGA技術是微加工技術的重要手段，也是微機械系統制造較為適合的加工方法，在微機械等領域有著良好的應用前景，已經制造出光纖連接器、熱交換器、齒輪、微泵、電機等許多的微機械器件，有些器件已經投入使用。
LIGA技術是利用光刻技術進行微機械結構和零件的加工，而光刻技術又是電子器件生產的一種方法，因此在方法上就實現了微電子與微機械的結合，為微系統技術發展提供了一種強有力的實現方法。
該技術是利用同步輻射X光光刻技術制造原始膠結構，由于同步輻射光刻的優越性能，使LIGA技術具有其它技術所無法相比的優越性能，其優點：（ 1）任意橫向尺寸的結構（ 2）最小尺寸可達0. 2Lm（ 3）高寬比最大可達500（ 4）結構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）注塑技術可以進行大批量，低成本生產。
 BSRF自1993年起開始從事LIGA技術的研究工作，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。在進行基礎工藝研究的同時，進行了應用技術的研究：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中重要的執行元件，微機械系統中的轉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雜的微機械器件，包括轉子、定子、軸、軸承、線圈、磁棒、驅動電源等。我們在吸收和消化國內外先進技術的基礎上，提出了一種新的微電機設計思想，使該電機具有很好的結構性能。通過利用上犧牲層技術（已申請了國家發明專利） ，將分散的電機定子很好地結合起來，從而可以作為一個完整的部件進行裝配2設計原理超微步進電機在運行原理上與傳統的步進 電機沒有本質的區別，考慮到微型電機的一些制造特點，電機的轉子采用了軟磁材料，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。在一對定子與轉子磁力吸合時，其相鄰的定子對的齒將與轉子齒保持1/ 4齒的角間距，這樣在下一步改變定子的磁力時，轉子齒將與下一個定子齒磁力吸合，從而旋轉1/ 4齒距的角度。通過不斷改變四對定子齒的磁力，轉子就會每次以1/ 4齒距的角度轉動，實現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，這樣通過改變電源的脈沖頻率，就可以控制電機轉子的步進頻率，從而控制電機的轉速。
電機的力矩是通過電磁學理論計算出來。圖2為電機轉子和定子的一對齒的所受磁力作用情況。
 從安培的電磁場環流定律和能量守恒，我們可以得到轉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，）材料的相對磁導率，R ）轉子半徑，L ）磁鐵回路距離。
3工藝過程利用LIGA技術來制造這一電機，工藝過程如圖3所示。首先是LIGA技術的常規工藝流程，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，并將帶有線圈的導磁棒安裝到定子的插孔內，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.脈沖電源由常規步進電機的驅動電源改造完成，脈沖頻率4參數的確定從扭矩的計算公式中，我們可以看到，扭矩與轉子半徑R、空氣間隙的表面積S、線圈的電流和圈數的平方成正比，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，我們選電機的轉子半徑R= 1mm，= 0. 03mm，選用鎳為磁性材料， L 2000，轉子厚度選用LIGA技術通常能達到的水平Tm/ A.我們就可以得到一扭矩和偏角的函數，圖4是這一扭矩與偏轉角的函數曲線，從這一曲線上看，當H= 45b時，扭矩達到最大， T利用LIGA技術研制超微步進電機由于采用了獨特的上犧牲層技術，使該電機具有良好的結構和性能指標。圖5為該電機的掃描電鏡照片，中間為轉子，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，就可使轉子齒與不同定子齒相吸合，這樣轉子就會以每步1/ 4齒間距的角度轉動。定子對的磁力是靠4個線圈產生的磁力來提供的， 4個線圈由一脈沖電源提供電力供應。導磁棒通過銅的基片插入定子的孔內。目前，該電機已能夠在脈沖電源的驅動下轉動，轉動速度為60r/ min.
5結論利用LIGA技術來制造超微電機的優勢，就在于它可以制造出較厚的結構，這樣可以得到較大的輸出扭矩。從計算的結果看，該電機有很大的輸出扭矩，能夠滿足微產品的需要。
該電機由多個部件組成，其中轉子和定子由LIGA技術完成，線圈由手工在顯微鏡下繞制完成。目前，電機的轉子和定子由鎳材料制造，線圈的導磁棒是鐵材料，從導磁的角度來說，這些材料都不是最好的材料轉子和定子的結構尺寸也不是最佳尺寸，所以還需要進一步的優化脈沖驅動電源是常規電源改造完成，并不是專用電源，其脈沖結構還需要改進。
在以上這樣的條件下，轉子能夠轉動，這充分證明了該電機設計的可行性，結構的合理性。在以后的工作中，將對以上的因素進行改進和優化，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。目前的導磁棒是利用了現有的材料，其尺寸過大導致了電機整體尺寸的加大。在下一步的設計和制造中，將采用特制的磁棒尺寸，以及減小轉子的尺寸，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` .申請號：伊福廷，唐鄂生，晉明，等。利用LIGA技術制造電磁式微型步進電機` C` .第九屆全國電子束、離子束、光子束學術年會論文集，方向為LIGA技術。
4結束語隨著工業生產和計算機技術的發展，微型計算機在控制步進電動機方面的應用將越來越廣泛。在計算機控制下，控制程序的設計是十分重要的。本文所提出的控制程序設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計為基礎，再根據步進電動機的具體使用環境，嵌入合適的控制算法，可完成各種需要復雜運動的步進電動機控制系統設計。
鄒逢興。微型計算機接口原理與技術` M ` .長沙：國防科技大學出版社， 1997.
 劉少克，袁海洲，陸勝旺。步進電動機驅動的計算機控制方法術和機電一體化控制技術。