Development of Electromagnetic MEMS Motor without Winding Wire and Application to Microrobot*

Abstract

이 논문은 권선이없는 전자기 MEMS 모터를 제안합니다. 개발 된 모터는 MEMS (microelectromechanical systems) 처리 및 다층 세라믹 기술과 결합되어 자기 코어 내부에 소형 3 차원 코일을 형성하는 데 사용됩니다. 개발 된 모터의 길이, 너비, 높이는 각각 11, 11, 7.5mm입니다. 제작 된 MEMS 모터는 0.42V 및 280mA에서 480rpm의 회전 속도로 회전 운동을 보여주었습니다. 또한 개발 된 MEMS 모터를 기반으로 한 마이크로 로봇을 선보인다. 개발 된 모터의 실리콘 구조는 마이크로 로봇의 구조 부품으로 사용됩니다. 모터의 단일 로터는 간단한 기계 시스템을 통해 발자국 동작을 생성합니다.

I. INTRODUCTION

소형 액추에이터는 휴대용 전자 장치 또는 마이크로 스테이지와 같은 다양한 응용 분야에 사용됩니다. 최근에는 마이크로 로봇이라는 초소형 로봇 시스템이 연구되어 소형 액추에이터가 필요합니다. 이 마이크로 로봇은 밀리미터 또는 마이크로 미터 규모의 몸체를 가지고 있으며 소형 액추에이터를 사용하여 움직임을 생성합니다 [1-2]. 이러한 마이크로 로봇 중 일부는 다리가 많고 각 다리에는 액추에이터가 있습니다 [3]. 소형 로봇 시스템에서는 장치의 크기를 최소화하기 위해 단일 액추에이터와 간단한 메커니즘이 바람직합니다. 단일 회전 액추에이터조차도 기어 또는 링크 메커니즘을 사용하여 다양한 유형의 모션을 생성 할 수 있습니다. 전자기 모터는 기존 로봇에서 널리 사용되는 대표적인 회전 액추에이터이므로 전자기 모터의 크기를 최소화 할 수 있다면 마이크로 로봇 액추에이터로 사용하기에 강력한 후보가 될 것입니다. 모터를 소형화하려면 구조 구성 요소를 소형화해야합니다. 일반적으로 구조 부품은 기계 가공 공정을 사용하여 제작되고 금속 재료로 만들어집니다. 그러나 이러한 기계적 구성 요소는 얻을 수있는 소형화 정도를 제한합니다. 따라서 마이크로 장치의 제조를 위해 MEMS (microelectromechanical systems) 처리가 조사되었다 [4-8]. MEMS 처리를 사용하면 높은 종횡비와 고정밀 치수를 모두 가진 소형 부품을 제작할 수 있습니다. 더욱이,이 공정은 IC 생산 공정을 기반으로하고 MEMS 장치가 실리콘 웨이퍼로 만들어지기 때문에 집적 회로 (IC) 제조 단계를 포함 할 수 있습니다. MEMS 모터는 일반적으로 평면 구조를 갖는 정전기 유형 [7-12]입니다. MEMS 공정은 평면 구조를 형성하는 데 사용할 수 있기 때문에 정 전형 장치를 형성하는 데 적합합니다. 그러나 정전기 모터는 높은 전압을 필요로하고 낮은 토크를 생성합니다. 대안으로 상업용 크기의 모터는 일반적으로 작동을 위해 전자기 유도를 사용하며 이러한 모터는 저전압에서 높은 토크를 생성 할 수 있습니다. 종래의 전자기 모터는 3 차원 권선에 의해 형성된 자기 코어와 자기 회로를 가지고 있습니다. 그러나 3 차원 구조의 코일을 형성하고 MEMS 공정을 사용하여 자기 코어를 도입하는 것은 어렵습니다. 많은 연구자들이 자기 회로에 나선형 코일 구조를 채택했습니다 [13-14]. 나선형 코일 패턴은 비평면 구조를 기반으로하므로 스퍼터링 또는 증착 코팅과 같은 MEMS 프로세스에 의해 형성 될 수 있습니다. 그러나 나선형 패턴은 평면 방향으로 확장됩니다. 따라서 자기 회로는 넓은 면적을 필요로하며 발산 자속을 포착하기 위해 턴 수를 증가시킵니다. 큰 코일 패턴 영역에는 긴 코일이 필요하므로 내부 저항이 높아 이러한 문제를 해결하기 위해 다층 세라믹 기술을 사용하여 세라믹 소재로 소형 전자 부품을 형성했습니다. 이 기술에서 세라믹 시트는 세라믹 분말과 유기 물질의 혼합물로 형성됩니다. 도체 패턴은 세라믹 시트의 표면에 형성됩니다. 도체 패턴은 스크린 프린팅으로 패터닝 된 도체 페이스트로 만들어지며, 관통 비아는 기계적 드릴링으로 형성되고 스크린 프린팅으로 전도성 페이스트로 채워 상층과 하층 사이를 연결합니다. 패턴 화 된 세라믹 시트가 적층되어 세라믹 재료 내부에 3 차원 패턴을 형성합니다. 적층 시편은 소성되어 3 차원 전도성 패턴을 가진 소형 전자 부품을 형성합니다. 또한 자기 세라믹을 사용함으로써 자기 코어를 동시에 형성 할 수 있습니다.

본 논문에서는 10mm 규모의 구조체를 가진 전자 기형 MEMS 모터를 제안한다. 10mm 크기의 모터를위한 자기 코어가있는 소형 3 차원 코일을 형성하기 위해 다층 세라믹 기술이 MEMS 공정과 결합됩니다. 개발 된 MEMS 모터의 자기 회로의 회전 운동과 세라믹 재료에 대해 논의하고 제안 된 MEMS 모터를 사용한 마이크로 로봇 설계를 보여줍니다.

II. DESIGN AND CONCEPT

Electromagnetic MEMS Motor without Winding Wire Circuit

제안 된 모터는 실리콘 구조 부품 및 다층 세라믹 자기 회로와 결합됩니다. 

그림 1은 개발 된 전자 기식 MEMS 모터의 설계를 보여준다. 축 갭 타입 3 상 교류 동기 모터를 사용하여 안정적인 회전 운동을 달성합니다. 개발 된 모터의 길이, 폭, 높이는 각각 11mm, 11mm, 8mm이며, 실리콘 구조 내부의 테 로터에는 2 극 고리 모양의 네오디뮴 자석이 부착되어 있습니다. 자석의 외경, 내경 및 높이는 각각 8mm, 2mm 및 0.5mm입니다. 회전축의 직경은 600 um이며 자석과 자기 회로는 대면 축으로 배열됩니다. 자기 회로 용 다층 세라믹 코일은 실리콘 케이스에 보관됩니다. 개발 된 MEMS 모터의 단면 이미지의 개략도가 그림 2에 나와 있습니다.

B. MEMS Components

실리콘 구조 구성 요소는 MEMS 공정으로 제작됩니다. MEMS 모터는 상단 프레임, 5 개의 회 전자 고정 프레임 및 자기 회로 프레임의 7 개 레이어로 구성됩니다. 상부 층은 10.0 mm 직경의 원형 패턴을 형성하는 로터 홀딩 프레임입니다. 하위 레이어는 6 개의 삼각형 패턴을 형성하는 프레임을 고정하는 자기 회로입니다. 삼각형의 바닥 치수와 높이는 각각 3.64mm와 3.90mm입니다. 제조 된 적층 세라믹 자기 회로는 실리콘 층의 삼각형 패턴에 삽입됩니다. 로터의 직경은 8.01mm이고 자석은 로터에 부착됩니다. 실리콘 구조 구성 요소에 정렬 패턴이 형성됩니다. 정렬 패턴은 모터 부품 조립을 지원하는 데 사용됩니다.

 

C. Multilayer Ceramic Magnetic Circuit

자기 회로의 재료는 투과율 900의 저온 동 소성 NiCuZn 페라이트입니다. 세라믹 시트에 자성체를 사용하여 자심을 동시에 형성 할 수 있습니다. 또한 NiCuZn 페라이트는 약 900 ° C에서 소성 될 수 있습니다. 따라서 저 저항 전도성 물질 인은을 사용하는 것이 가능하다. 전극 및 코일과 같은 전도성 패턴은은 페이스트로 인쇄됩니다. 실버 페이스트는 15/16 턴 코일 패턴으로 인쇄되었습니다. 적층 세라믹 자기 회로는 36 개의 패턴 세라믹 시트를 적층 한 후 30 회전 나선형 코일을 가지고 있습니다. 다층 세라믹 코일은 삼각 기둥 모양입니다. 각형 적층 세라믹 코일의베이스 치수와 높이는 각각 3.5mm와 3.6mm이며, 회로 뒷면에 형성된 전극은 연결된 와이어를 통해 자기 회로에 구동 전압을인가합니다. 도 3은 자기 회로 용 적층 세라믹 코일의 구조를 나타내며, MEMS 모터 용 자기 회로는 3 상 코일에 연결해야한다. 6 개의 제작 된 세라믹 코일이 서로 반대쪽 코일에 직렬로 연결되어 별 배열로 연결된 3 개의 쌍 코일을 형성합니다.

D. Application to the Microrobot

개발 된 MEMS 모터는 MEMS 마이크로 로봇에 적용됩니다. 마이크로 로봇에는 높은 토크를 생성 할 수있는 소형 액추에이터가 필요합니다. 미니어처 구조는 실리콘 소재의 MEMS 처리에 의해 실현 될 수 있습니다. 마이크로 로봇에 적합한 고출력 액추에이터는 MEMS 공정을 통해 실리콘으로 만들어집니다. 따라서 개발 된 전자기 MEMS 모터는 마이크로 로봇 용 로터리 액추에이터로 사용됩니다. 그림 4는 MEMS 모터를 개발 한 amicrorobot의 개략도를 보여준다. 모터의 구조적 구성 요소는 로봇 본체에 직접 사용되며, 로봇의 측면, 끝, 높이 치수는 각각 9.5mm, 14.5mm, 12.5mm입니다. 결합 된 로봇은 곤충과 유사한 헥사 포드 다리를 가지고 있으며 로봇 다리는 MEMS 모터의 양쪽에 장착됩니다. 그림 5는 로봇 다리와 링크 메커니즘의 구조를 보여줍니다. 양쪽 끝에서 180 ° 위상 편이를 생성하는 두 개의 관통 구멍을 포함하는 외부 로터는 모터 샤프트에 연결됩니다. 로봇 다리는 링크 메커니즘으로 연결됩니다. 중앙 다리의 샤프트는 외부 로터의 관통 구멍 중 하나에 연결됩니다. 앞다리와 뒷다리는 중앙 다리와 반대 방향으로 움직입니다. 6 개의 다리는 단일 모터에 의해 회전하며, 앞쪽과 뒤쪽 다리는 중앙 다리가지면에 닿으면 떠 있습니다. 액추에이터의 회전 운동에 의해 제어되는 가운데 다리는지면을 밀고 마이크로 로봇 본체를 앞으로 밀어냅니다. 중간 다리가 올라가면 앞다리와 뒷다리가 땅에 닿습니다. 바깥 쪽 다리와 중앙 다리는 180 ° 위상이 맞지 않습니다. 이 동작 중에지면과 접촉하는 지점은 항상 삼각형을 형성하여 곤충을 모방 한 안정된 보행 동작을 실현합니다. 그림 6은 보행 동작의 개략도를 보여준다.

A. MEMS Process

MEMS 모터 및 마이크로 로봇의 소형 구조 구성 요소는 단결정 실리콘 웨이퍼로 제작되었습니다. 실리콘 웨이퍼를 패터닝하기 위해 포토 리소그래피 공정이 사용되었습니다. 각각의 실리콘 웨이퍼를 세척하고 알루미늄 층을 물리적 증착법으로 증착하고 웨이퍼를 포토 레지스트로 코팅했습니다. 설계된 패턴을 레지스트 층에 노출시키고 현상액을 담가서 현상했습니다. 그런 다음 시편의 알루미늄 층을 화학적으로 에칭하여 설계된 패턴의 각인을 남겼습니다. 패턴 화 된 웨이퍼는 Bosch 프로세스와 결합 된 높은 종횡비 유도 결합 플라즈마 에칭에 의해 건식 에칭되었습니다 [15]. 부품은 알루미늄을 제거하고 세척하여 형성되었습니다. 마이크로 로봇 다리의 경우 링크 메커니즘을 연결하는 패턴이 필요합니다. 따라서 링크 패턴은 실리콘 웨이퍼의 양면에 식각되었습니다. 이 과정을 통해 실리콘 부품이 제작되었습니다. 얻어진 부품은 손으로 조립하고 시아 노 아크릴 레이트 수지를 사용하여 부착했다.
그림 7은 MEMS 제작 과정을 보여줍니다.

B. Multilayer Ceramic Technology

기존의 다층 세라믹 공정을 그린 시트 공정이라고하며, 시트 구조에 슬러리가 형성됩니다. 제조 공정에서 슬러리는 오퍼 라이트 분말, 바인더, 분산제, 가소제 및 유기 물질의 혼합물입니다. 시트 구조는 닥터 블레이드 방법으로 형성됩니다. 세라믹 시트에는 상층과 하층을 연결하는 관통 구멍이 형성됩니다. 코일 패턴과 비아 패턴은 스크린 인쇄를 통해 녹색 페라이트 시트에 인쇄됩니다. 여러 장을 쌓고 다층 시편을 설계된 부품으로 절단합니다. 마지막으로 시편이 소성되고 외부 전극이 형성됩니다. 그림 8은 다층 세라믹 기술 제조 공정을 보여줍니다.

IV. RESULTS AND DISCUSSES

MEMS 모터 용으로 제작 된 실리콘 부품은 그림 9에 나와 있습니다. 로터 홀딩 프레임과 로터의 관통 형 패턴의 직경은 각각 10.0mm 및 8.01mm입니다. 자기 회로 고정 프레임의 6 개의 사각형 관통 패턴은 60 ° 이동되도록 배열되었습니다. 삼각형 패턴의 기본 길이와 높이는 각각 3.64mm와 3.90mm였습니다. 모터 샤프트를 고정하는 관통 구멍은 광학 현미경으로 측정했으며, 관통 구멍의 직경은 619 m에서 622m까지 다양했습니다. 구멍의 설계 직경이 620 m이므로 크기 오차는 ± 3 m 미만인 것으로 나타났습니다. 이러한 결과에 따르면 고도로 정확한 치수의 소형 MEMS 모터를 성공적으로 제작할 수 있었고 적층 세라믹 기술을 사용하여 소형 자기 회로를 제작했습니다. 다층 세라믹 자기 코일이 그림 10에 나와 있습니다. 6 개의 세라믹 코일의베이스, 높이 및 두께의 평균 치수는 각각 3.45mm, 3.52mm 및 1.46mm입니다. 제조 된 각 코일의 특성은 표 1에 나와 있습니다. 인덕턴스는 40Hz에서 측정되었습니다. 제작 된 다층 세라믹 코일은 비슷한 수준의 인덕턴스와 낮은 내부 저항을 나타 냈습니다. 이 결과에 따르면 적층 세라믹 기술을 이용하여 자기 코어가있는 초소형 3 차원 코일을 성공적으로 구현했습니다. 다층 세라믹 코일과 자기 회로 고정 프레임을위한 실리콘 층의 관통 삼각형 패턴 사이의 최대 및 최소 간격은 각각 473 m 및 54.6 m입니다. 따라서 다층 세라믹 코일과 MEMS 구조 부품을 결합 할 수있었습니다.

B. Rotational Motion of MEMS Motor

결합 된 MEMS 모터는 그림 11에 나와 있습니다. 측면 길이, 끝 길이 및 높이는 각각 11mm, 11mm 및 7.48mm입니다. 개발 된 MEMS 모터는 회전 운동을 성공적으로 시연했습니다. 파형 발생기에 의해 3 개의 단상 코일에 120 ° 위상 편이 된 3 개의 입력 전압이 적용되었습니다. 입력 전압은 오실로스코프로 측정되었습니다. 이 실험에서 모터는 0.42V의 입력 전압이 8Hz에서 적용될 때 480rpm에서 회전 운동을 나타 냈습니다. 쌍을 이루는 코일의 평균 내부 저항은 1.50이었고 구동 전류는 각 위상에 대해 0.28A였습니다. 그림 12는 회전 운동을 나타내고 파란색 마커는 플래그 위치를 나타냅니다. 따라서 다층 세라믹 자기 회로와 결합 된 MEMS 모터가 달성되었습니다. 이론상 최대 회전 속도는 역기전력으로 계산하였으며, 개발 된 MEMS 모터는 약 50,000rpm의 회전 속도가 가능할 것으로 예상되며, 모터가 회전 운동을했을 때 모터 샤프트가 편심 운동을 보였습니다. 샤프트의 끝을 위에서 보았을 때 끝이 원을 그렸습니다. 그 이유 중 하나는 실리콘 프레임의 개구부와 모터 샤프트 사이의 큰 간격 때문입니다. 다른 하나는 자석과 자기 회로 사이의 거리입니다. 자기 세라믹 코일로 개발 된 모터는 800 m의 거리가 필요하기 때문에 모터 구조 내에서 회전 운동 중에 로터가 기울어집니다. 또한 모터는 8Hz 미만에서 회전하지 않았습니다. 다층 세라믹 코일에 비자 성 재료를 사용할 때 간격은 100 um이고 회전 속도는 480 rpm입니다. 자기 회로는 자성체를 사용했기 때문에 큰 틈새가 필요했습니다. 자석은 자기 회로에 의해 당겨져 안정된 움직임을 억제했습니다. 이러한 문제는 MEMS 모터 용 베어링 시스템을 도입하여 해결할 수 있습니다.

C. Microrobot with MEMS Motor

개발 된 MEMS 모터는 마이크로 로봇에 적용되었으며 제작 된 부품은 그림 13에, 조립 된 마이크로 로봇은 그림 14에 표시되어 있습니다. 측면 길이, 끝 길이, 높이는 9.3mm, 14.5mm, 12.5mm, 각기. 무게는 1.55g이었다. 동일한 재료로 만든 MEMS 모터는 마이크로 로봇의 소형화를 기대할 수 있습니다. 또한 미니어처 모터는 로봇을 쉽게 제어하는 것을 목표로합니다. 향후 작업으로 개발 된 MEMS 모터의 토크를 측정하고 마이크로 로봇의 보행 동작을 보여줄 예정입니다. 또한 MEMS 디자인은 마이크로 로봇에 최적화 될 것입니다.

 

V. CONCLUSION

본 논문에서는 전자기 MEMS 모터를 제안했으며, 개발 된 MEMS 모터는 실리콘 구조 부품과 다층 세라믹 자기 회로로 구성되었습니다. 제작 된 세라믹 자기 회로는 자기 코어가있는 초소형 3 차원 코일을 사용했으며, 또한 평균 60 회 회전에서 1.5의 낮은 내부 저항을 가졌습니다. MEMS 구조에 적층 세라믹 기술을 도입하여 밀리미터 규모의 모터를 구현했으며 개발 된 MEMS 모터의 측면 길이, 끝 길이 및 높이는 각각 11mm, 11mm, 7.48mm였습니다. 개발 된 MEMS 모터는 0.42V의인가 전압에서 480rpm의 회전 속도를 보여줌으로써 세라믹 자기 회로가있는 MEMS 모터가 성공적으로 달성되었습니다. 보다 안정적인 회전 운동을 실현하기 위해 MEMS 모터 용 베어링 시스템을 설계하고, 개발 한 MEMS 모터는 실리콘 소재의 마이크로 로봇 바디에 장착했다. 측면 길이, 끝 길이, 높이는 각각 9.3mm, 14.5mm, 12.5mm이고 무게는 1.55g이었다. 따라서 동일한 소재로 만든 MEMS 모터는 마이크로 로봇을 더욱 소형화 할 것으로 기대된다. 향후 작업으로 개발 된 MEMS 모터의 토크를 측정하고 마이크로 로봇이 걷는 모습을 보여줄 것입니다. 또한 MEMS 설계는 마이크로 로봇에 최적화 될 것입니다.