微静电马达和微机械力传递装置

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求以下的优先权：于2018年6月7日提交的题为“微静电马达和微机械力传递装置”的临时美国专利申请62/681715；于2018年6月7日提交的题为“微静电马达和微机械力传递装置”的临时美国专利申请62/681725；于2019年5月21日提交的题为“微静电马达和微机械力传递装置”的实用新型美国专利申请16/418109；以及于2019年5月21日提交的题为“微静电马达和微机械力传递装置”的实用新型美国专利申请16/418254，它们的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本说明书涉及微型静电马达和微力传递装置，比如齿轮和齿轮系。

背景技术

电动马达是将电能转换为机械能的机器。存在各种类型的电动马达以及用于构造这种马达的各种制造技术和技法。马达类型和制造技术的选择取决于性能、应用适应性和成本考虑。大多数电动马达包括定子(具有磁场的固定元件)和旋转并具有承载电流的导体的转子。马达通过马达磁场与转子导体中产生的电流之间的相互作用来运行。

另一类型的电动马达是静电马达。静电马达利用基于电荷的吸引和排斥的电容效应来运行。

通过齿轮和这种装置的力传递是众所周知的。齿轮是一种机器零件，其齿被切割成可以与另一机器零件中的相应齿相互作用的部分，以将扭矩从驱动齿轮传递到从动齿轮。一组齿轮装置可以改变速度、扭矩和/或力源的方向。一组两个或更多个齿轮可提供扭矩变化。具有相同形状并按顺序工作的两个啮合齿轮上的齿称为齿轮系。如果齿轮系的一个齿轮大于另一个齿轮，则两个齿轮的转速和扭矩将与齿轮的直径成比例地不同。

根据性能、应用适应性和成本考虑，已经使用了各种技术和技法来生产齿轮。

发明内容

根据一方面，一种微机械力传递装置包括：主体，其包括主体框架，该主体框架限定室和至少一个齿轮元件，该齿轮元件包括中心区域；膜，其固定至所述主体框架的表面，该膜覆盖所述室，该膜在所述中心区域上方的膜的区域中具有环形孔，该环形孔限定所述膜的中心区域，所述膜的该中心区域固定至所述齿轮元件的中心区域。

上述方面可以包括以下特征中的一个或多个：

所述微机械力传递装置，其中至少一个齿轮元件连接至轴。所述微机械力传递装置，其中所述轴由膜层的被所述环形孔包围的部分提供。所述微机械力传递装置，其中至少一个齿轮元件围绕轮轴设置。所述微机械力传递装置，其中所述中心区域与所述至少一个齿轮元件物理地间隔开，该中心区域提供轮轴。所述微机械力传递装置，其中所述中心区域上方的所述环形孔是第一环形孔，所述膜还具有在膜的与第一环形孔间隔开的区域中的第二环形孔，所述第一和第二环形孔限定膜的固定到围绕所述齿轮元件的中心区域的环形区域以提供所述轮轴的区域。

所述微机械力传递装置还包括齿轮支撑层，其固定到所述膜的相对表面。所述微机械力传递装置，其中所述齿轮支撑层还包括：第二主体，其包括主体框架，该主体框架限定室和至少一个齿轮支撑元件，该齿轮支撑元件具有在尺寸和程度上与齿轮的特征相对应的特征。所述微机械力传递装置还包括第二膜，其固定到所述齿轮主体，所述第二膜在所述至少一个齿轮元件的中心区域上方的第二膜的区域中具有第一环形孔，该环形孔限定第二膜的固定到所述至少一个齿轮元件的中心区域以在第二膜上提供轴的中心区域。所述微机械力传递装置还包括第二膜，其固定到所述齿轮主体，所述第二膜在所述至少一个齿轮元件的中心区域上方的第二膜的区域中具有第一环形孔，该环形孔限定第二膜的固定到所述至少一个齿轮元件的中心区域的中心区域，并且在第二膜的与第一环形孔间隔开的区域中具有第二环形孔，所述第一和第二环形孔限定第二膜的固定到围绕所述齿轮元件的中心区域的环形区域的区域。

所述微机械力传递装置，其中所述膜是第一膜，并且所述微机械力传递装置还包括第二膜层，其固定到所述主体框架的相对表面。所述微机械力传递装置还包括在限定在所述主体框架中的所述室内的第二齿轮元件，其与在所述主体框架中的所述第一齿轮元件相互啮合。所述微机械力传递装置，其中所述主体框架、所述膜和所述齿轮元件分别是第一主体框架、第一膜和第一齿轮元件，所述装置还包括第二主体，其限定第二主体框架，该第二主体框架限定室和第二齿轮元件；以及覆盖所述室的在所述第二主体的第一表面上的第二膜。

所述微机械力传递装置，其中所述齿轮元件是第一齿轮元件，并且所述装置还包括第二齿轮元件，所述第一齿轮和第二齿轮元件中的每个由与所述主体框架相同的材料构成，并且所述第一和第二齿轮元件中的每个具有齿轮齿，所述第一齿轮元件的齿轮齿与所述第二齿轮元件的齿轮齿相互啮合。

所述微机械力传递装置，其中所述第一和第二齿轮在第一主体层中，并且每个联接至围绕轮轴的狭窄轴环部分，该轴环在第二主体层处。所述微机械力传递装置，其中具有所述至少一个齿轮元件的所述主体和所述膜包括第一阶段，并且所述装置还包括多个附加阶段主体和膜，其中至少一些阶段的高度在25微米至250微米的范围内。所述微机械力传递装置还包括驱动器阶段。所述微机械力传递装置，其中所述驱动器阶段包括马达。所述微机械力传递装置，其中所述马达是微静电马达。所述微机械力传递装置还包括输出阶段，其包括压盘。

根据一方面，一种制造微机械力传递装置的方法，该方法包括：对具有带有一层粘合剂的主表面的柔性材料片材进行图案化，以从该片材限定具有限定室和至少一个齿轮元件的主体壁的主体，所述至少一个齿轮元件拴接到所述主体的各部分、所述至少一个齿轮元件的中心部分，并且在所述主体壁和中心部分的表面上提供粘合剂；提供在所述主体壁上并覆盖所述室的膜，该膜粘附到所述主体壁和中心部分；形成环形孔，其包围所述膜的固定到中心元件的部分。

上述方面可以包括以下特征中的一个或多个：

所述方法，其中至少一个齿轮元件连接至轴。所述方法，其中所述膜层的固定到所述中心区域的由所述环形孔包围的部分提供了所述轴。所述方法，其中至少一个齿轮元件围绕轮轴设置。所述方法，其中对所述片材进行图案化还包括对所述片材进行图案化，以提供与所述至少一个齿轮元件的其余部分物理地间隔开的中心区域。所述方法，其中所述环形孔是第一环形孔，所述膜还具有在膜的与第一环形孔间隔开的区域中的第二环形孔，所述第一和第二环形孔限定膜的固定到围绕所述齿轮元件的中心区域的环形区域以提供所述轮轴的区域。所述方法还包括：对第二主体层进行图案化，以形成齿轮支撑元件；以及将具有所述齿轮支撑元件的图案化的第二主体层固定至所述膜的相对表面。所述方法，其中所述第二主体被进一步图案化以限定主体框架，该主体框架限定室和至少一个齿轮支撑元件，所述齿轮支撑元件具有在尺寸和程度上与所述齿轮元件的特征相对应的特征。所述方法还包括将第二膜固定到所述齿轮主体；以及对所述第二膜进行图案化，以在所述至少一个齿轮元件的中心区域上方的第二膜的区域中限定第一环形孔，该环形孔限定第二膜的固定到所述至少一个齿轮元件的中心区域以在第二膜上提供轴的中心区域。所述方法还包括将第二膜固定到所述齿轮主体；以及对所述第二膜进行图案化，以在所述至少一个齿轮元件的中心区域上方的第二膜的区域中限定第一环形孔，该环形孔限定第二膜的固定到所述至少一个齿轮元件的中心区域的中心区域，并且在第二膜的与第一环形孔间隔开的区域中限定第二环形孔，所述第一和第二环形孔限定第二膜的固定到围绕所述齿轮元件的中心区域的环形区域的区域。

根据一方面，一种装置包括：微机械力传递装置，包括：第一主体，其包括第一主体框架，该第一主体框架限定第一室和至少一个齿轮元件，所述齿轮元件包括中心齿轮元件区域；第一膜，其固定到所述第一主体框架的表面，该膜覆盖所述室并且具有环形孔，该环形孔包围所述膜的固定到所述齿轮元件的中心齿轮元件区域的中心区域；微静电马达，包括：具有第一和第二面的第二主体，该第二主体限定第二室和具有中心区域的转子；在所述第二主体的第一面上方的第二膜，所述第二膜支撑由间隙电隔离的一对隔开的电极，所述第二膜具有环形孔，该环形孔限定所述膜的联接至所述转子的中心区域的中心区域。

上述方面可以包括以下特征中的一个或多个：

所述装置，其中所述转子包括设置在所述第二室中的所述第二主体的材料盘，其与所述室的内部壁物理地间隔开，所述盘在其第一表面上具有一组三个相互电隔离的电极，每个电极具有突片部分并且与中心构件电隔离。所述装置，其中由所述膜层的被所述第二膜中的环形孔包围的部分提供轴。所述装置，其中由所述第二膜层的被所述环形孔包围的部分提供轴，并且所述转子和所述转子的中心区域在物理上隔离。所述装置，其中所述第二膜中的环形孔是第一环形孔，所述第二膜还具有在第二膜的与所述第一环形孔间隔开的区域中的第二环形孔，所述第一和第二环形孔限定第二膜的固定到所述转子以提供所述轮轴的区域。

下述齿轮系(力传递)装置可以使用微制造方法制成，并且可以与高速、低扭矩静电马达或低速高扭矩静电马达一起使用，以用于各种工业、医疗和生物应用。使用相对便宜的技术来制造齿轮系装置。在特定实施例中，以下描述的齿轮系装置是使用卷对卷制造技术来制造的。另外，各种工业、医学和生物学应用可以将齿轮系(力传递)装置与除马达之外的其他装置一起使用，或者可以不与其他装置一起使用。

下述微静电马达可以使用微制造方法来制成，并且可以用作用于各种工业、医疗和生物应用的高速、低扭矩马达或低速高扭矩马达。以下描述的微静电马达装置是使用相对便宜的技术制造的。在特定实施例中，使用卷对卷制造技术来制造下述微静电马达装置。

在附图和以下描述中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。从说明书和附图以及从权利要求书中，本发明的其他特征、目的和优点是显而易见的。

附图说明

图1-3是静电马达在构造阶段的平面图。

图4-5分别是在各个构造阶段的静电马达的轴实施方式和静电马达的轮轴实施方式的各自被局部剖开的平面图。

图4A是图4的分解截面图。

图4B是示出图4、4A的微静电马达与附接在一起的层的截面图。

图5A是图5的分解截面图。

图5B是示出图5、5A的微静电马达与附接在一起的层的截面图。

图6是微静电马达的有点图形的等距视图。

图7是示出微静电马达的堆叠布置的截面图。

图8A、8B分别是微机械力传递装置的阶段的平面图和截面图。

图9是微机械力传递装置的轴实施方式的截面分解图。

图10是微机械力传递装置的轮轴实施方式的截面分解图。

图11是微机械力传递装置的第二阶段的平面图。

图12分别是堆叠的微机械力传递装置的分解透视图。

图13是用于生产马达和微机械力传递装置结构的卷对卷处理的流程图。

图14A-D是一些透视图，示出了微机械力传递装置的轴实施方式的某些构造阶段。

图15A-F是一些透视图，示出了微机械力传递装置的轮轴实施方式的某些构造阶段。

具体实施方式

微静电马达概述

本文所述的微静电马达是使用廉价的微制造方法制成的，并且可以用于在各种工业、商业、医学和生物应用中将电能转换为机械能。微静电马达装置以微米/毫米规模制造。公开了多种制造技术。

可以将常规的同步静电马达类型看作是可变电容器，其响应于输入(例如施加在定子板和转子板之间的方波电压)而旋转。当同步静电马达以相对于所施加的方波同步的速度旋转时，转子在方波的每个周期旋转半圈。

在常规的异步静电马达类型中，操作取决于电场，电场在表面上引起感应电荷，从而引起该电场在表面上施加扭矩。通过在不同组的固定电极上使用相移电压，将旋转场电耦合到一组固定电极，可以在异步静电马达中使用此效果。

参照图1，示出了处于构造阶段的微静电马达装置10。图1示出了微静电马达装置10的正面10a。微静电马达装置10示出在载体层上，例如幅材11或由幅材11承载的层(用于下面讨论的卷对卷处理)，并且包括单个圆形室12。微静电马达装置10的该初始讨论将解释微静电马达装置10的某些细节和操作原理。微静电马达装置10可以是同步类型或异步类型。

微静电马达装置10包括主体14(由幅材承载以进行卷对卷处理或作为幅材的一部分)，其具有多个外部壁例如四个壁14a-14d和限定圆形室12的内部圆形壁。可选地，主体14的其中两个壁例如壁14a、14c可以具有端口15a、15b，其提供从外部流体源和外部流体槽(未示出)的流体流入或流出。在操作中，可选端口15a、15b中的一个用作流体流的入口，而可选端口15a、15b中的另一个用作流体流(例如用于冷却马达的空气)的出口(根据马达的转子部分的旋转方向确定端口的输入与输出分配)。

微静电马达装置10还包括由主体层14的材料制成的不导电的中心可旋转盘16(盘16)，其支撑三个电隔离的金属电极16a-16c。在该实施方式中，盘16是围绕中心圆柱形构件18(构件18)设置的平板或压盘(盘16)，该构件18用作轴18’(附接到盘16的可自由旋转的构件)或用作轮轴18”(不旋转但盘16围绕其在室内旋转的固定构件)。构件18作为轴18’的构造细节将在图4中阐述，而作为轮轴18”的构件18的构造细节将在图5中讨论。

电隔离的电极16a-16c以120度的物理间隔间隔开。电隔离的电极16a-16c通过在盘16上对电极进行图案化而提供的非导电通道间隔开。每个隔离的电极16a-16c分别具有导电的突片突出部分，即突片17a-17c。承载电隔离电极16a-16c和导电突片17a-17c的盘16一起用作转子(在下文中将称为转子20)。

构件18在配置为轮轴18”时具有绕静止构件18旋转的转子20。在轮轴18”实施方式中，转子20通过相对小的间隙19a与构件18物理地且电地隔离，该间隙没有用于形成电极16a-16c的金属并且没有用于形成盘16的材料。

构件18在配置为轴18’时具有物理地附接到构件18的转子20并且具有通过相对小的间隙19a与轴18’电隔离的电极16a-16c，该间隙没有用于形成电极16a-16c的金属。相对小的间隙是指该间隙的尺寸足以允许转子20上的电极16a-16c与构件18电隔离。间隙19a的间隙尺寸在尺寸上是微米级的，其足够大以使得中心芯16a不电耦合到构件18。

尽管示出了转子20具有三个电极作为多个隔离电极16a-16c，其与导电电隔离突片17a-17c以120度间隔间隔开，但在一些实施方式中，可以存在三个以上电极和相应突片，它们将根据360度/n间隔开，其中n是电极数量。

图1中还示出了桥构件25a和25b，例如从主体14图案化的元件并且其用于在制造过程中将转子20拴接到主体14。图1中还示出了用于在制造期间将构件18拴接到转子20的桥构件27a、27b以及后侧膜28。

现在参照图2，图1的组件示出为桥构件25a和25b以及桥构件27a、27b(图1)被移除，而转子20在随后的制造阶段附接到构件18。图2中还示出了设置在马达10的前侧10a上方的第一膜层24，其支撑金属化表面37a(示出为向后剥离)，该第一膜层24被图案化以形成电极36和38。

在该制造阶段之后，移除了用于拴接构件18和盘的桥构件(未示出)。

现在参照图3，示出了在后续制造阶段中的微静电马达装置10。转子20以虚线示出，其具有桥(移除)。微静电马达装置10包括一对电极36、38(用作定子)，其设置在主体14上方的膜层24上，并且该电极通过间隙35电隔离。每个电极36、38具有一对孔36a、38a中的相应一个。孔36a和38a将容纳导电通孔以提供电连接以分别向电极36和38供应电压。

第二膜37具有一对孔37a、37b。孔37a和37b与当转子20旋转时突片17a-17c行进的圆形路径对准。除了彼此电隔离之外，该对电极36、38还通过膜层24与设置在主体14上的电极16a-16c及其相关突片17a-17c电隔离。在图3中，突片17a-17c以深色虚线示出，以便于结合以下说明易于观看。电极36和38还在围绕构件18的区域中被图案化，以与构件18物理地和电地隔离。

轴实施方式

现在参照图4，特别是图4A和4B，示出了轴实施方式。在轴实施方式中，在马达10的构造期间，例如在转子20的构造之后并且在添加膜层24之前，粘合剂层23被图案化并且其部分23a、2b保留在主体14的壁(参照图1)的顶表面上并且在围绕转子20的中心的区域(围绕转子的中心的将形成轴18’的区域)中。设置在马达10上方的膜层24粘附到主体14的壁的顶表面及转子20的中心。膜24的其他部分接触但不粘附到马达10的其他部分，例如转子20。因此，转子20自由旋转，被膜24(和后侧膜28)限制在一维。如图所示，膜层24被图案化，留下环形空隙(即间隙19a)。该环形空隙或间隙19a使膜24的粘附到转子20的中心的部分自由旋转，从而允许膜的中心部分提供轴18’的一部分。

在图4B中，第二粘合剂层(未示出)被图案化，以使粘合剂材料(未示出)保留在主体14的壁的底表面和转子的中心区域上。设置第二膜28以粘附到主体14的壁的底表面并且在马达10的后侧上的中心区域中。第二膜层28粘附到例如主体14的壁的底表面和转子20的后侧的中心。第二膜层28被图案化，留下第二环形空隙。该第二环形空隙29a使膜28的粘附至转子20的后侧的中心的部分自由旋转，从而将轴18’承载至马达10的底部。如果需要的话，第二膜28可承载地平面(如图所示)。如果需要的话，可以减薄前侧和后侧。

因此，由夹在两个主体膜层24和28之间的主体层14提供了具有轴18’的马达元件10。轴18’可以延伸至并且(在一些实施例中穿过)马达10的一个或两个主相对表面。

轮轴实施方式

现在参照图5和5A，在轮轴实施方式中，在马达10的构造期间，主体层14被图案化，以提供转子20和中心构件18，其通过间隙19a与转子20物理地间隔开(参见图5A)。在转子20的构造之后，在添加膜24’(功能上类似于膜24，除了某些图案差异之外)之前。

在图5A中，粘合剂层(未示出)被图案化，在主体14的壁(参照图1)的顶表面上留下第一粘合剂区域23a、在中心构件18上留下第二粘合剂区域23b以及第三区域23c，其是与第二粘合剂材料区域23b间隔开的环形粘合剂区域。膜层24’设置在粘合剂区域23a-23c上方。膜层24’粘附在具有粘合剂材料的区域中即粘附至主体14的壁的顶表面、转子20的中心区域(由于第二粘合剂材料区域23b)以及在第三区域18c即环形粘合剂材料区域中。膜24’的其他部分接触但不粘附至马达10的其他部分例如转子20，因此转子20自由旋转，受膜24’限制。

在图5A中，另一粘合剂层(未示出)设置在膜24’上。膜层24’被图案化，留下与间隙19a对准的第一环形空隙19b，间隙19a位于(主体构件14的)第一粘合剂材料区域23a和第二粘合剂材料区域23b之间。如图所示，膜层24’被进一步图案化，留下与环形间隙19b间隔开的第二环形空隙19c。第一环形空隙19b设置在膜24’的经由(主体构件14的)粘合剂区域23b粘附到构件18的部分周围。膜24上的粘合剂层(未示出)被图案化，在区域47a、47b和47c上留下粘合剂材料。

主体层48设置在图案化膜24’上，并且主体层48被图案化，以留下主体壁(未标出)、中心部分48a(其与主体层48的环形构件部分48b间隔开间隙19d)，且环形构件部分48b通过环形空隙19c与主体壁(未标出)间隔开。因为构件18与转子20物理地间隔开，并且构件18仍粘附到膜24’(及相应的后侧膜28’)，所以构件18是固定的并且不会随着转子20的旋转而旋转。因此，在该实施方式中，构件18用作轮轴18”。

轮轴18”通过层24’和48被承载至层48的顶部。作为轮轴18”，当转子20围绕固定轮轴18”旋转时，马达10和轮轴18”的布置可以提供风扇或鼓风机元件(例如通过向转子元件20添加散热片或叶片)。

参考图5B，因为膜层24’也被图案化，在环形空隙19d和环形空隙19e之间留下主体层48的环形区域48b，所以环形区域48b被粘附到转子20(通过粘合剂区域47c和18c)。该环形区域48b有效地留下围绕固定轮轴18”的小(宽度尺寸)轴环21，其随着转子20的旋转而旋转。轴环21将转子20与膜24’和主体层48隔离。

第二粘合剂层(未示出)被图案化，以使粘合剂材料保留在主体的壁的底表面上，并且第二膜28’设置在主体14的壁的底表面上。如图所示，该第二膜28’(除了图案之外，类似于图4A的膜28)可以仅在中心部分上设置有粘合剂区域。在一些实施方式中，轮轴18”可以延伸到马达10的后侧，重复上述过程。因此，通过夹在两个5个微主体层之间的主体层14提供具有轮轴18”的马达元件10。轮轴18”可以延伸到马达10的一个或两个主相对表面。另一膜52可以通过主体层上的适当图案的粘合剂区域而固定到主体层48。

图5B中示出了具有轮轴18”的组装的马达10，主体层48在主体层14的膜24’和膜28’上方。图6中示出了组装的马达10(轴实施方式)的图示。

运行原理

转子20具有电极16a-16c，当转子20在电极16a-16c与电极36和38之间旋转时，电极16a-16c收集电荷并释放所收集的电荷。因此，有效地，建立电荷并释放该电荷的电容器元件在电极16a-16c与电极36和38之间，如上所述。电荷是动态的，并且与有效电容器提供的电容有关，有效电容器是电极16a-16c和电极36和38以及这些电极之间的介电材料的组合。考虑到电极16a-16c与36和38之间的介电材料的介电常数、这些电极的重叠面积以及这些电极16a-16c与36和38的重叠对之间的距离，这些电容器将具有由用于平行板电容器的公式至少近似的电容，表示为：

C＝(∈

其中，C是电容(法拉)；A是两个电极的重叠面积(平方米)；ε

与用于类似目的的常规静电马达相比，静电马达10可以使用较少材料，因此受到较小应力。静电马达10具有微米至毫米规模的尺寸。

异步马达运行

可以将马达10作为异步马达的运行解释如下：考虑施加在电极16a-16c与电极36和38之间的电压。在电极16a-16c与电极36、38之间放置电势差将在电极16a-16c例如16a上具有例如正电荷并且在电极36、38例如电极38上具有例如负电荷。如果电极16a具有正电荷而电极38具有负电荷(相对于16a上的电荷)，则这种情况将导致转子20通过吸引相反的电荷而旋转。当转子20开始旋转时，由于将电极16a与电极38分开的材料的介电特性以及由于电极16a与电极38的边缘之间的相对距离，因此没有从电极16a到电极38的电荷转移。

然而，由于因带正电的电极16a被吸引到带负电的电极38而产生吸引力或扭矩，所以导致转子20旋转(沿逆时针方向)并且还导致带正电的电极16a被拉到电极38下方。承载该带正电的电极16a的转子20具有一些动量，并且将继续在电极38的下方行进。

然而，一旦电极16a-16c之一的突片17a-17c之一与膜中的孔37a、37b之一对准，电极36、38中的相应一个在其上方，该对准就导致电荷从转子20上的电极16a-16c中的相应一个的突片17a-17c中的对准一个净转移到定子电极36或38。

在图3的上下文中，假设电极38a相对于电极36为负，例如电极36上为+500V而例如电极38上为0V，则当电极16a的突片17a与孔37b对准时(假设它最初有可能带电)，通过从电极16a通过孔37b到电极38的电荷的电弧，在突片17a(以及随之而来的电极16a)与定子电极38之间发生电荷的净转移。通过将从突片17a到电极38的电荷电弧提供的这种电荷转移，使电极16a处于净负电荷，其现在排斥电极16a远离电极38并朝向带正电荷的电极36。因此，当电极16a-16c在电极36、38下方时，存在电荷差并因此吸引，直到电极的突片在电极36、38中的孔37a、37b之一下方，这导致放电和排斥力。

电荷的转移通过电荷的电弧发生，例如从一个电极(例如具有正电荷的电极16a)通过孔(例如孔37b)到附近电极(例如来自孔37b附近的突片17a的具有负电荷的电极38)的电弧(未示出)。由于突片17a足够靠近孔37b，并且孔37b具有低介电常数，例如空气的介电常数，其低于将电极16a-16c与电极36、38分开的材料的介电常数，在电极16a-16c中的相应一个(在该说明中是通过突片17a的电极16a)到电极36、38中的相应一个(在该说明中是电极38)之间产生电弧。

当电荷从一个电极转移到另一电极时会产生电弧。只要克服了分开电极的电介质的击穿电压，就会产生电弧。考虑5微米厚的膜，该膜带有50至500埃厚的导电层，空气的介电击穿电压约为每微米3V，因此，对于空气，超过15伏的任何电压都会在突片17a-17c之一在孔37a或37b之一上方对准时引起电弧发生。然而，所产生的电弧具有足够低的能量(即极低的电流且因此极低的功率)，从而不会不利地影响构成马达10的任何材料。因此，可以施加15至500伏的施加电压。更具体地，可以使用15至250伏的电压，更具体地20至50伏等。

可以说施加的电压将在上述指定条件下保证电弧所需的最小电压与将对马达10的材料造成某些有害影响的电压的最大电压之间。因此，其他电压范围将在本教导的范围之内。

同步马达运行

在一些实施方式中，马达10可以作为同步马达运行。同步马达示例可以将马达视为可变(旋转)电容器。在电极16a-16c以及电极36和38上施加方波电压或正弦波。当马达10同步运行时，转子20在电压的一个周期中旋转半圈。在四分之一转中，当转子20与电极16a-16c和定子电极36、38彼此接近时，由于例如电极16a-16c为正而定子电极36、38为负，因此彼此吸引之间存在电压。在接下来的四分之一转期间，施加的电压为零，但转子20由于惯性而继续旋转。

参照图7，图4中的两个马达10的堆叠布置10’(具有轴18’的轴实施方式)示出为具有间隔件层40(可选的)。堆叠布置10’包括图4的两个马达10(每个具有带有膜24、28的主体层14)，并且可以包括顶盖和底盖(未示出)或设置成密封马达的壳体(未示出)。盖可以是没有被图案化而是固定到完成的马达10的顶层和底层的附加主体层。图5的两个马达10的堆叠布置即轮轴实施方式还可以与顶盖和底盖(未示出)或壳体(未示出)一起提供。

微机械力传递装置概述

在一些实施方式中，微静电马达10(轴或轮轴版本)可以与微机械力传递装置一起使用。

本文所述的微机械力传递装置是使用微制造方法制成的。本文所述的微机械力传递装置是齿轮类型的，通常包括一个或多个齿轮。多个齿轮可以一起相互啮合在单个模块中，以提供齿轮系。齿轮可以在(齿轮模块的)可重复层中构建，以提供各种类型的复杂齿轮装置。这些微机械力传递装置可用于完成机械力传递的各个方面。例如，微机械力传递装置可以用于增加或减小旋转速度；增加或减小扭矩，或者改变旋转平面或改变输入力的旋转方向(即旋转方向反向)。输入力可以来自上述的静电马达的任何版本，也可以来自其他来源。这些微机械力传递装置可以在各种工业、商业、医学和生物应用中找到应用。使用将在下面讨论的卷对卷处理技术以微米/毫米规模制造微机械力传递装置。

参照图8A和8B，示出了处于构造阶段的微机械力传递装置110的第一阶段110a。微机械力传递装置110是将机械力从本文中称为输入齿轮的一个驱动齿轮传递至本文中称为输出齿轮的另一齿轮的齿轮系装置。第一阶段110a包括与输出齿轮114相互啮合的输入齿轮112。在该示例中，微机械力传递装置110(齿轮系)的第一阶段110a降低旋转速度并增加输入齿轮112处的输入力和来自输出齿轮114的输出力之间的扭矩。然而，可替代地，可以通过具有比输出齿轮更多齿的输入齿轮来构建增加旋转速度并减小输入齿轮与输出齿轮之间的扭矩的齿轮系。

微机械力传递装置110包括支撑在膜140上的齿轮主体框架116。齿轮主体框架116具有多个壁，例如四个壁116a-116d，这些壁116a-116d的内部部分限定内部室118。壁例如壁116a-116d可以可选地具有端口，其提供从外部流体源和外部流体槽(未示出)的流体流入或流出。在其他实施例中，壁116a-116d是没有端口的实心壁，如图所示。

在图8A中还示出了系绳构件113a、113b和115。这些系绳构件是从齿轮主体116图案化的桥元件，并且在制造过程中用于将齿轮112和114拴接到齿轮主体116。系绳(仅示出三个)113a、113b、115用于在早期制造阶段将可移动的可旋转部件保持在适当位置，但是在最终组装之前将其移除。室118的包括齿之间的间隙的内部部分可以填充有低粘度的润滑流体以提供流体润滑和机械阻尼。第一齿轮112通过一对系绳元件113a、113b拴接到第二齿轮114。第二齿轮114通过系绳元件115拴接到齿轮主体116的壁116a-116d之一例如壁116d。

参照图8B，主体层116被图案化以提供齿轮支撑结构125。第一齿轮112联接至轴或轮轴(未示出)并且由第一齿轮支撑元件122支撑，而第二齿轮114由齿轮支撑结构125的第二齿轮支撑元件124支撑。第一齿轮支撑元件122和第二齿轮支撑元件124定位在相应的齿轮112、114下方以支撑那些齿轮，如将在下面讨论。

可选地，在某些情况下，第二齿轮114可以联接至机械接口142的轴(未示出)或轮轴(未示出)，但通常将可选的第二机械接口(未示出)定位在装置110上方以联接至第二齿轮114。

在机械接口142的一种实施方式中，微机械力传递装置110联接至马达10的轴18’(图4、4A、4B)并且由马达10构成，如现在将描述的。

现在参照图9，从图4、4A和4B(示出的图4B的视图)的马达开始，膜层24设置有粘合剂层(未示出)，其被图案化以在主体层14的壁14a-14d(图1)上方的膜24周围提供粘合剂区域129a以及中心区域129b。为了简单起见，转子、导体等被示出但未标出。膜28在主体14的下侧。

主体层128设置在膜24上方，并在具有粘合剂的区域129a、129b中粘附至膜。主体层128被图案化以提供根据将要提供的齿轮配置的适当的齿轮主体支撑结构125(类似于图8B的支撑结构125)。齿轮主体支撑结构125具有与齿轮例如112、114(图8)的尺寸类似的尺寸的特征。主体层128被图案化以提供环形间隙127，其提供主体层128的材料的中心区域。(这将被提供给每个齿轮，仅齿轮112在横截面中示出。)粘合剂层(未示出)被图案化以提供区域129a和129b。另一膜131在主体层128上设置有图案化的粘合剂层132a、132b，其后是齿轮主体层116(参见图8A和8B)。主体层128的中心区域的与具有粘合剂129b的表面相对的表面粘附至马达10的轴18’。

可以在图9所示的上方设置另一膜层、齿轮主体支撑件、膜和齿轮主体层的组合(全都带有适当的图案化的粘合剂层和间隙)，以在竖直方向建立齿轮系。另外，可以提供膜、齿轮支撑件、齿轮层和膜的更多这样的组合，以建立复杂的齿轮结构。另外，可以在具有相应的齿轮支撑层特征的特定齿轮主体层内提供更多这样的齿轮。

在机械接口142的另一实施方式中，微机械力传递装置110联接至马达10的轮轴18”(图5、5A、5B)，并且由马达10构成，如现在将描述的。

现在参照图10，从图5、5A和5B(示出的图5B的视图)的马达10开始，马达10包括主体层14、膜24’和具有轮轴18”的膜24’，并且主体层48设置有粘合剂层(未示出)，其被图案化以在主体层14的壁14a-14d(图1)上方对准的主体层48周围提供粘合剂区域152a、环形粘合剂区域152b和中心区域152c。为了简单起见，转子、导体等被示出但未标出。具有图案化的环形空隙(未标出)的膜154’设置在主体层48上，并在粘合剂区域152a-152c中粘附至主体层48。

在一些实施方式中，主体层158设置在膜154’上方并在具有粘合剂的被示出但未标出的区域中粘附至膜24’。主体层158被图案化以提供齿轮主体支撑件。齿轮主体支撑件具有在尺寸和范围上与将要提供的齿轮的特征类似的特征。这些特征被图案化以提供环形间隙157a和157b，其提供主体层158的材料的中心区域159。(这将被提供给每个齿轮，仅齿轮112在横截面中示出。)在一些实施方式中，可以将层48设置为齿轮支撑层，在这种情况下将不使用主体层158。

对未示出的粘合剂层进行图案化，以提供区域159a和159b。另一膜160在主体层上设置有图案化的粘合剂层162a、中心区域162b和环形区域162c，随后是齿轮主体层116(图8A、8B)。

可以在图10所示的上方设置另一膜层、齿轮主体支撑件、膜和齿轮主体层的组合(全都具有适当的图案化的粘合剂层和间隙)，以建立在竖直方向的齿轮系。另外，可以提供膜、齿轮支撑件、齿轮层和膜的更多这样的组合，以建立复杂的齿轮结构。另外，可以在具有相应的齿轮支撑层特征的特定齿轮主体层内提供更多这样的齿轮。

现在参照图11，微机械力传递装置110的第二阶段111b示出为处于构造阶段。第二阶段111b具有带有包围室167的壁166a-166d的齿轮主体166，是将机械力从第二阶段的第三齿轮172(例如驱动齿轮或输入齿轮)传递到第四齿轮174(例如从动齿轮或输出齿轮)的另一齿轮系。在该示例中，所示的微机械力传递装置阶段111b是第二齿轮系，其进一步降低旋转速度并增加输入齿轮172和输出齿轮174之间的扭矩。第二阶段111b包括膜层(未示出)、齿轮支撑层(未示出)和齿轮层111b，其可以使用针对图9或图10(轴或轮轴版本)讨论的原理来提供。通过系绳(示出但未标出)来拴接齿轮。

在操作中，其中一个齿轮用作输入齿轮或驱动齿轮，例如齿轮172，而另一个齿轮例如齿轮174用作输出或从动齿轮。在所描述的微机械力传递装置10中，输入齿轮172从第一阶段111a(图1)从微机械力传递装置110的输出齿轮114被驱动，以将力从第一阶段111a传递到微机械力传递装置110的第二不同阶段111b。齿轮172、174可绕轮轴或旋转轴旋转。

现在参照图12，示出了带有静电马达10的堆叠的微机械力传递装置110’，其具有三个齿轮层(如图所示，但每个根据图8A-10构造)。虚线表示相邻阶段的齿轮之间的阶段间连接点，箭头表示旋转方向。阶段1(S1)是驱动器阶段，其包括诸如图4或5的轴或轮轴版本的马达。阶段2和3(S2和S3)分别是速度减少、扭矩增加的阶段，其使旋转方向反向。阶段4(S4)是缓冲阶段，其在输出处保持与在输入处的输入方向和速度相同的方向和速度至该阶段。

制造

具有上述特征的静电马达10和微机械力传递装置10可以使用诸如MEMS处理技术和所谓的卷对卷(R2R)处理的各种方法来制造。基于要由静电马达10提供的特征和静电马达10的制造方法来选择用于静电马达10的材料。以下是用于选择静电马达10的不同部分的材料的一些标准。

马达力传递装置主体—用于马达主体14(以及主体24和44和力传递主体)的材料可以由要求定义。通常，材料需要足够坚固或坚硬以保持其形状以产生室。在一些实施方式中，材料是可蚀刻的或光敏的，使得可以限定和加工/显影其特征，例如转子20和室12等。有时，还希望材料与静电马达10中的其他材料良好地相互作用，例如粘附。此外，材料是不导电的。合适材料的示例包括SU8(负环氧抗蚀剂)和PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)抗蚀剂。

膜—材料本身可以是弹性材料，其与主体14或力传递主体一起承载导电层，从该导电层提供各个电极。这样，材料(如果是弹性的)可以来回弯曲或拉伸，但不需要这种弹性特性。膜材料对于包括气体和液体的感兴趣流体是不可渗透的，是不导电的并且可以具有低或高的击穿电压特性。合适材料的示例包括氮化硅和特氟隆。坚硬的其他材料也是可能的。

电极—电极的材料是导电的。因为电极不传导大量电流，所以材料可以具有高电片材电阻，尽管不一定需要高电阻特征。电极经受膜的弯曲和拉伸，因此，希望材料柔软以应对弯曲和拉伸而不会疲劳和失效。另外，在操作条件下，电极材料和膜材料良好地粘附，例如彼此不分层。合适材料的示例包括非常薄的金和铂层。其他也是可能的。

电互连—来自电容测量电路的电压被传导到每个室的每个膜上的电极。可以使用例如金和铂的导电材料来建立通向这些电极的导电路径。

其他材料—当MEMS处理用于制造微静电马达10时，可以使用牺牲填充材料，例如聚乙烯醇(PVA)。牺牲填充材料也可以用于R2R处理。在一些实施方式中，在制造过程中使用溶剂，这可能对微静电马达10的各种构建材料提出附加要求。有可能将一些电路部件印刷到膜上。通常，虽然上面已经指定了某些材料，但还可以使用具有与所提到的那些材料相似的性质的其他材料。

可以将端板(图中未示出)放置在完成的马达10的上方和下方，以保护电极和膜等不受周围环境的影响。可以将完成的马达10包装在各种类型的包装中，例如用于集成电路的那些。

如上所述，虽然可以使用多种方法来制造静电马达10，但比如下面讨论的MEMS处理(微机电系统)技术将是通过卷对卷处理进行制造的技术，该技术也可以应用于形成其他类型的装置/系统。

用于生产微静电马达和微机械力传递装置的卷对卷处理

卷对卷处理线可以包括多个站，其可以是或包括封闭室，在该封闭室处进行沉积、图案化和其他处理。因此，在高水平观看的处理可以是加性的(在需要的地方准确添加材料)或减性的(在不需要的地方去除材料)。沉积处理包括根据需要的蒸发、溅射和/或化学气相沉积(CVD)以及印刷。根据需要，图案化处理可以包括各种技术，比如扫描激光和电子束图案生成、机械加工、光学光刻、凹版印刷和柔性版(胶版)印刷，这取决于被图案化的特征的分辨率。喷墨印刷和丝网印刷可用于放下功能材料，比如导体。可以使用其他技术，比如打孔、压印和压花。

原始的原材料卷是柔性材料幅材。在卷对卷处理中，柔性材料幅材可以是任何这样的材料，并且通常是玻璃或塑料或不锈钢。尽管可以使用这些材料(或其他材料)中的任何一种，但与玻璃和不锈钢相比，塑料具有更低成本考虑的优点。具体的材料将根据微静电马达10的应用来确定。在应用中，将使用诸如不锈钢或可以承受所遇温度的其他材料的材料，比如特氟隆和可以承受所遇温度的其他塑料。然而，对于不锈钢，需要考虑电介质以确保各种元件之间的电隔离。

对于所示的结构，在卷对卷处理线内的站根据所需的处理设置。因此，尽管在一种实施方式中端盖和顶盖可以形成在幅材或塑料片材上，但在形成微静电马达10堆叠之后提供端盖和顶盖，如将描述的。

现在参照图13，示出了描述用于提供马达10的卷对卷处理180的流程图(类似的处理用于微机械力传递装置110)。诸如非金属化的50微米厚的片材的柔性材料片材(未示出)在主表面上设置182有双面粘合剂，并且将其用作主体层14(图1)。粘合剂是1801类型。对于马达10的特定实施方式，材料是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。还可以使用其他材料。

具有粘合剂的片材被图案化184以从将对应于移动部件的所有区域清除粘合剂。因此，例如，片材的部分对应于转子20，并且构件18部分(图1)不具有粘合剂区域。掩模(未示出)用于配置激光烧蚀站，以从将在其内形成那些特征的片材区域中去除粘合剂。

使用另一掩模(未示出)或直接写入来对片材进行微加工186以配置激光烧蚀站，以限定或形成如图1讨论的拴接的室12和转子20。还提供用于电连接的通孔。微加工烧蚀掉塑料以在主体14(图1)中形成室12、转子16和构件18。

在构件18不固定而是旋转的实施例中，在转子20上的电极(通过金属，但不通过主体层)与构件18之间存在小间隙，并且不使用粘合剂层18a。在构件18固定的实施例中，转子20(穿过金属和主体层)与构件18之间存在小间隙，并且使用粘合剂层18a。

将具有微机械加工室12、转子20和构件18的片材在两侧层压188到一对膜片材，例如具有100A厚度的Al的金属层的5微米厚的PET片材。将该片材在两侧层压188到膜片材，其中那些片材的金属层从主体面向外，从而提供复合片材。

膜片材被图案化190以形成图案化的电极16a-16c和由膜承载的突片17a-17c，并提供设置在主体14的室12中的转子20。转子20附接到构件18，从而允许两者在室12内自由旋转(图4)。在用金属层涂覆之前或之后，对片材进行机械加工以提供对准孔(未示出)。

支撑图案化电极的片材被层压7192在设置在片材的两侧的一对预制密封层之间。密封层是具有1801粘合剂的50微米片材。预制密封层被图案化以切割74用于电连接的电极接入凹口。

处理该复合片材以切割196释放点以释放运动部件，比如转子20和构件18，切割用于将马达10定位在固定装置中的对准销孔(未示出)并且从片材阵列切割出用于单个马达的缝线。复合片材被层压198有设置在片材170的两侧的第二对预制密封层(仅示出层182)，密封层是具有1801粘合剂的50微米片材。

图14A-14D和图15A-15F示出了示例性的卷到卷处理的阶段，以形成分别用于马达10上的轴和轮轴实施方式的齿轮系。

图14A-14D分别示出了马达主体上的图案化粘合剂、图案化膜层、具有齿轮支撑层特征的图案化主体层以及具有用于轴版本的系绳的齿轮的阶段。

特别在图14A中示出了中心盘16，没有至主体14的系绳，在图14B中示出了在图14A中的布置之上的膜层。在图14C中示出了系绳布置，其具有将齿轮支撑件固定到中心盘16上方的齿轮支撑主体的壁的四个系绳200a-200d和将轴拴接至齿轮支撑件的四个系绳202a-202d。在图14D中示出了另一系绳布置，其具有将齿轮固定至齿轮模块的壁并且将齿轮支撑在图14C的齿轮支撑件上方的四个系绳210a-210d。

图15A-15F分别示出了马达主体上的图案化粘合剂、图案化膜层、具有齿轮支撑层特征的图案化主体层、轴环形成层、膜层以及用于轮轴版本的具有系绳的齿轮的阶段。

特别在图15A中示出了没有至主体14的系绳的中心盘16，在图14B中示出了被图案化以提供两个环形间隙19b、19c(图5A)的在图14A的布置之上的膜层24’。在图15C中示出了系绳布置，其具有将齿轮固定到中心盘16上方的齿轮主体的壁的四个系绳(未标出)。在图15D中示出了具有四个系绳切口(未标出)的系绳布置。在图15E和15F中示出了形成轮轴实施方式的外部接口。

图14A-14D和图15A-15F的图大致对应于用于蚀刻相应特征的示例性掩模。

以上技术还可以使用机器视觉系统产生数据文件，其由激光烧蚀系统用于将激光烧蚀站与掩模对准(或直接写入)，以使来自激光烧蚀系统的激光束提供根据用于与主体的相应部分配准的掩模的特征，如所讨论的。电极是通过在不属于电极和导体一部分的区域中烧蚀掉金属而形成的，从而在片材上保留隔离的电极和导体。

夹具或测试固定装置(未示出)可以与对准销孔一起使用。具有或不具有对准销孔的用于组装的其他堆叠技术也是可能的。

用于互连堆叠的马达10上的图案化电极的通孔导体通过城堡型结构的导体连接，即具有接触电极突片的相对宽区域和通过电极中的孔的相对窄区域。通过使主体部分中的孔大于通过电极部分的孔来提供该布置。这可以分别在主体和电极的图案化阶段完成。通过将上述导电墨水引入孔中来形成通孔导体。

本文描述的不同实施方式的元件可以组合以形成以上未具体阐述的其他实施例。可以将元件排除在本文所述的结构之外，而不会不利地影响其操作。此外，各个分开的元件可以组合成一个或多个单独的元件以执行本文描述的功能。

其他实施例在所附权利要求的范围内。例如，可以使用将层粘附(即固定)在一起的其他技术，比如激光焊接等。