静电电动机具有漫长的发展历史:
◆1742 年,即在电磁式电动机诞生100 多年前,Andrew Gordan 发明了利用同号电荷相排斥、异号电荷相吸引原理的电铃和电弹力车,这可以看成是最早的利用静电驱动的例子。
◆1889 年Karl Zipernowsky 发明了电容式静电电动机。
◆1893 年Arno 利用绝缘材料的介电弛豫特性制造了一台3800V, 50Hz 电压驱动的异步感应静电电动机。
◆1969 年B.Boilée 研制了几种电容可变式静电电动机,其中一种定转子之间的间隙加工到了0.1mm ,有100 个电极,工作电压降到了200V,输出功率为600μW。这一研究结果使人们关注静电电动机 。
对电磁式电动机而言,它的结构比较复杂,在尺寸小时,磁场密度的大小受到导体表面电阻和线圈发热导致的温升的限制,而且磁性材料的性能和漏磁通也会进一步减小能量密度,所以电磁式电动机在小型化时不具备了传统尺寸时的优势。但是对静电电动机而言,它具备以下几点优势:
第一、从结构上讲,静电电动机结构简单,电极表面所产生的电场强度与电极的厚度无关,电极和配线的截面积可以做得很小。
第二、静电电动机的电场强度只受绝缘材料性能的限制,缩小尺寸并不影响电场强度,产生的力与表面积成正比,通常绝缘材料的尺寸越小,性能越强。根据帕邢(Paschen) 定律,间隙越小,空气电火花所产生的电场强度急剧增大。例如硅氧化膜这种绝缘材料,其绝缘强度可达几百kV/ mm。
因此,小型化的静电电动机的电场能量密度可与电磁式电动机的磁场能量密度相比拟。
第三、与电磁式电动机相比,静电电动机能量转换效率高。
基于静电电动机的这些特点,各国开始了对小型化静电电动机的研究。随着电子技术的高速发展,硅加工工艺逐渐成熟,集成电路加工尺寸可以做到深亚米级。在此背景下,美国加利福尼亚大学berkeley 分校的Muller 在1987 年提出在1μm~1mm 范围内制作以硅集成工艺为基础的具有智能化结构的MEMS 概念,到1989 年,该校学生L. S. Fan 等人成功地在硅片上制作出直径为120μm 的静电电动机(其结构如图7 所示) 。从此,静电电动机的研制主要集中在了超微型结构上。
日本、美国和德国对静电电动机的开发与研究分别代表着三种制作静电电动机的技术:
第一种是以日本为代表的利用非光刻的传统的机械加工手段(如金属与塑料部件的切削、研磨) ,即利用大机器制造生产小机器,再利用小机器制造微机器的方法。日本认为静电电动机的未来不只属于硅,硅仅是人们要使用的材料中的一种。
第二种是以美国为代表的表面超微加工技术,利用牺牲层技术和集成电路工艺技术相结合对硅材料进行加工。
第三种是以德国为代表的LIGA技术 ,LIGA是德文Lithograpie (光刻) 、Galvanoformung(电铸) 和Abformung(塑铸) 三个词的缩写,它是利用X射线光刻技术,通过电铸成型和铸塑形成深层微结构的方法。这种方法可以对多种金属以及陶瓷进行三维微细加工。其中第二种方法与传统IC 工艺相兼容,可以实现微机械和微电子的系统集成,比较适合批量生产,已成为超微静电电动机生产的主流技术。