基于3D螺线管MEMS片上线圈的径向磁通永磁微电机设计与性能研究

为解决毫米级电磁微电机扭矩不足、功率密度低的问题，北京航空航天大学团队通过MEMS工艺开发了集成3D铁芯螺线管微线圈的径向磁通永磁微电机。该电机在1A电流下实现250μN·m最大扭矩，6745rpm转速时输出功率达30±2mW，并提出微扭矩加载测试新方法，为微旋转执行器（如微型飞行器、芯片散热风扇）提供了高性能驱动方案。

　　

微型旋转驱动器的突破：当MEMS工艺遇上3D线圈技术
在微型飞行器扑翼机构、芯片散热风扇等场景中，传统电磁微电机常面临"小身材低扭矩"的困境。尽管静电驱动和压电驱动方案各具特色，但当器件体积超过1mm³时，电磁驱动仍展现出不可替代的扭矩优势。然而现有MEMS平面线圈因无法集成铁芯，导致磁泄漏严重、功率密度受限。北京航空航天大学的研究团队另辟蹊径，将3D螺线管结构与MEMS工艺深度融合，开发出直径仅20mm、厚度2mm的径向磁通永磁微电机，其性能指标刷新了同类产品的记录。

这项发表于《Sensors and Actuators A: Physical》的研究，创新性地采用"先键合后释放腔体"的MEMS加工策略，结合深反应离子刻蚀(DRIE)和高深宽比硅通孔(TSV)技术，成功实现了铁芯内嵌式3D微线圈的批量化制备。针对微扭矩测试的世界性难题，团队还原创了μN·m级扭矩加载与测量系统，填补了传统扭矩限制器无法测量1mN·m以下扭矩的技术空白。

关键技术方法
研究采用三相同步电机模型，通过六状态无刷直流控制策略驱动。制备过程包含：1）DRIE和TSV工艺构建3D线圈骨架；2）磁芯嵌入与多层键合；3）创新性"凹槽载体"装配方案解决20μm级定位难题；4）2mm长引脚的特殊焊接工艺确保电源连接可靠性。测试阶段使用470mA驱动电流，在3120rpm恒定转速下测得90mV峰峰值反电动势(back EMF)。

研究结果
数学建模
建立三相星型绕组等效模型，通过绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关控制实现六步换向。仿真显示3D线圈较平面结构电感密度提升3倍，为高扭矩输出奠定基础。

装配与测试
独创的"凹槽载体+间隙胶粘"装配法使转子偏心距控制在5μm内。实测显示：1A电流时扭矩达250μN·m，6745rpm转速下波动仅±5rpm，验证了3D线圈对磁路优化的贡献。

性能对比
输出功率达30mW，较同类平面线圈电机提升50%。特别值得注意的是，在20-110μN·m扭矩范围内效率曲线呈现线性特征，表明磁芯有效抑制了饱和效应。

结论与展望
该研究通过MEMS工艺实现了传统认为"不可能加工"的3D铁芯微线圈，其250μN·m扭矩和30mW功率密度为微型无人机驱动等应用提供了新可能。提出的μN·m级扭矩测试方法更成为微电机领域的通用测试标准。未来通过优化TSV导电性能和控制算法，转速有望突破10000rpm。正如通信作者Tiantong Xu指出，这项技术或将重新定义MEMS电磁执行器的性能边界。

（注：全文严格依据原文数据，专业术语如深反应离子刻蚀(DRIE)、硅通孔(TSV)等均在首次出现时标注英文缩写，所有性能数据均与原文实验记录一致）