[發(fā)明專利]一種低摩擦無軸靜電感應馬達

有效

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• 申請日: 2020-06-28
• 公開（公告）號: CN111817601B
• 公開（公告）日: 2023-09-19
• 發(fā)明（設計）人: 鄭泉水;向小健
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳清華大學研究院;清華大學
• 主分類號: H02N1/00
• 分類號: H02N1/00
• 代理公司: 深圳市惠邦知識產(chǎn)權(quán)代理事務所 44271
• 代理人: 滿群

本發(fā)明提供了一種基于結(jié)構(gòu)超滑的低摩擦無軸靜電感應馬達，包括對稱分布的定子、轉(zhuǎn)子和基底支撐層，所述轉(zhuǎn)子包括圓形轉(zhuǎn)子HOPG超滑片和圓形轉(zhuǎn)子介電材料層；所述基底支撐層直徑略大于圓形HOPG石墨片，且具有原子級光滑表面；本發(fā)明可以極大降低轉(zhuǎn)子與基底之間的摩擦力，同時，利用超滑片與基底邊緣之間的范德華回復力作為轉(zhuǎn)子繞軸心轉(zhuǎn)動的約束力，避免傳統(tǒng)支撐形式的轉(zhuǎn)軸引起的摩擦和磨損問題，可以極大提高微馬達的壽命和轉(zhuǎn)速。

技術領域

本發(fā)明涉及微馬達領域，尤其涉及一種基于結(jié)構(gòu)超滑的低摩擦無軸靜電感應馬達。

技術背景

微馬達是一種重要的微執(zhí)行器，它能夠把電信號轉(zhuǎn)換成機械運動，從而在微機電系統(tǒng)(MEMS)中發(fā)揮著重要的作用。目前，微馬達常用的驅(qū)動方式主要包括：靜電驅(qū)動、電磁驅(qū)動、壓電驅(qū)動、形狀記憶合金等，其中，靜電驅(qū)動微馬達由于結(jié)構(gòu)簡單，易于制作，功耗低且能夠與IC裝備兼容而被廣泛研究。但是，截止到目前，各個運動部件之間的摩擦阻力極大地限制了微馬達的性能和壽命。為了降低摩擦對微馬達的影響，研究人員對此進行了大量的研究，提出了一系列降低摩擦的方法，如氣體懸浮、靜電懸浮、潤滑、覆蓋低摩擦材料、減小部件之間的物理接觸面積等。但是，這些方法也面臨著其他的問題，如懸浮式微馬達不穩(wěn)定、潤滑材料不足以維持足夠長的壽命、低摩擦材料工藝實現(xiàn)困難等。人們也研究了各種制作微馬達如多晶硅、氮化硅以及單晶硅等材料的摩擦系數(shù)，試圖使用不同的材料搭配、減小接觸面積來降低接觸部件之間的摩擦，但是在該種微馬達使用過程中，仍然會由于接觸界面處的磨損導致微馬達失效。

結(jié)構(gòu)超滑是解決摩擦磨損問題的理想方案之一，結(jié)構(gòu)超滑是指兩個原子級光滑且非公度接觸的范德華固體表面(如石墨烯、二硫化鉬等二維材料表面)之間摩擦、磨損幾乎為零的現(xiàn)象。2004年，荷蘭科學家J.Frenken的研究組通過實驗設計，測量粘在探針上的一個幾納米大小(共約100個碳原子)的石墨片在高定向熱解石墨(highly?orientedpyrolytic?graphite，HOPG)晶面滑動時的摩擦力，首次實驗證實了納米級超潤滑的存在。2013年，鄭泉水教授第一次在微米尺度發(fā)現(xiàn)HOPG(Highly?Oriented?Pyrolytic?Graphite)片層材料之間的超滑現(xiàn)象，這標志著超滑從純粹的基礎興趣研究過渡到可應用化的技術研究過程。結(jié)構(gòu)超滑技術可以實現(xiàn)固-固表面之間幾乎為零的摩擦和磨損，可以極大提高微馬達的壽命和轉(zhuǎn)速。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種基于結(jié)構(gòu)超滑的無軸靜電感應馬達的結(jié)構(gòu)，包括對稱分布的定子、轉(zhuǎn)子HOPG石墨、轉(zhuǎn)子介電材料層、基底支撐層。所述轉(zhuǎn)子由圓形介電材料層和HOPG片組成；所述介電材料層位于HOPG超滑片上，介電材料層用來產(chǎn)生靜電感應轉(zhuǎn)矩；所述HOPG超滑片位于基底支撐層上；所述基底支撐層為圓形結(jié)構(gòu)，直徑略大于圓形HOPG超滑片，且具有原子級光滑表面；所述定子由對稱分布的多對驅(qū)動電極組成。

本發(fā)明的發(fā)明目的通過以下具體方案實現(xiàn)：

一種低摩擦無軸靜電感應馬達，包括定子、轉(zhuǎn)子和基底支撐層，所述定子包括至少2對驅(qū)動電極，所述轉(zhuǎn)子包括超滑片和介電材料層，所述介電材料層設置于超滑片上，所述超滑片設置于基底支撐層上，所述基底支撐層具有原子級光滑表面。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述驅(qū)動電極對稱分布。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述驅(qū)動電極至少為3對，優(yōu)選的，所述驅(qū)動電極為4對。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述超滑片和介電材料層的截面均為圓形。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述基底支撐層與所述超滑片接觸的部分的截面直徑不小于超滑片的截面直徑。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述超滑片的材料可以是石墨、HOPG、石墨烯、二硫化鉬、鉍、鉬或云母。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述超滑片的厚度優(yōu)選為100nm～10μm，直徑優(yōu)選為1um-100um。