优先权要求
本申请根据35u.s.c.§119(e)要求以下申请的优先权：于2018年6月7日提交的临时美国专利申请62/681,715，其标题为:“microelectrostaticmotorandmicromechanicalforcetransferdevices”(“微型静电电动机和微型机械力传递装置”)；于2018年6月7日提交的临时美国专利申请62/681,725的，其标题为:“microelectrostaticmotorandmicromechanicalforcetransferdevices”(“微型静电电动机和微型机械力传递装置”)；于2019年5月21日提交的美国专利申请16/418,254，标题为:“microelectrostaticmotorandmicromechanicalforcetransferdevices”(“微型静电电动机和微型机械力传递装置”)；和于2019年5月21日提交的美国专利申请16/418,109，标题为:“microelectrostaticmotorandmicromechanicalforcetransferdevices”(“微型静电电动机和微型机械力传递装置”)，其全部内容通过引用结合于此。
背景技术：
本说明书涉及微型静电电动机和微型力传递装置，如齿轮和齿轮系。
电动机是一种将电能转化为机械能的机器。有各种类型的电动机以及用于构造这种电动机的各种制造技术和工艺。电动机类型和制造技术的选择取决于性能、应用适用性和成本考虑。大多数电动机包括定子(有磁场的静止元件)和转子，转子旋转并具有传导电流的导体。电动机通过电动机磁场和转子导体中产生的电流之间的相互作用来运行。
另一种电动机是静电电动机。静电电动机利用基于电荷吸引和排斥的电容效应工作。
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，其具有切入该零件的齿，该齿可与另一机器零件中的相应齿相互作用，以将扭矩从从动齿轮(drivengear)传递到被驱动齿轮(drovegear)。一组齿轮传动装置可以改变力源的速度、扭矩和/或方向。一套两个或多个齿轮可以提供扭矩的变化。两个啮合齿轮上具有相同形状并按顺序工作的齿称为齿轮系。如果齿轮系的一个齿轮比另一个齿轮大，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、应用适用性和成本考虑，已经使用各种技术和工艺来生产齿轮。
技术实现要素：
根据一个方面，微型静电电动机包括具有第一面和第二面的主体，该主体具有由内壁限定的圆形腔室、中心构件、设置在圆形腔室中的盘，该盘与腔室的内壁物理间隔开、支撑在盘的第一表面上的一组三个的相互电隔离的电极，其中每个电极具有凸片部分，并且电极与中心构件电隔离，在主体的第一面上方的第一隔膜，在主体的第二面上方的第二隔膜，以及在第二隔膜的一些部分上的一对间隔电极，该对间隔电极通过间隙绝缘。
上述方面可包括以下特征中的一个或多个:
所述一对第二电极中的每一个在所述第二对电极中的每一个的一部分中均具有第一孔洞，以容纳导电通孔，以形成外部电连接。支撑所述一对第二电极的所述第二隔膜在所述第二隔膜的一些部分中、在所述凸片由于所述盘构件的旋转而行进的路径上具有一对孔洞。微型静电电动机还包括在第一隔膜上方的第一密封层和在第二隔膜上方的第二密封层。所述中心构件是固定在所述第一隔膜和所述第二隔膜之间的固定构件，并且所述中心构件通过环形间隙与所述盘间隔开。所述中心构件附接到所述盘。所述中心构件与所述盘隔开环形间隙；该电动机还包括:隔膜层，其具有粘接到中心构件的中心区域，并且具有与盘和中心构件之间的环形间隙对准的第一环形间隙和围绕第一环形间隙的外周的第二环形间隙；和间隔层，其具有粘接到隔膜层的中心区域的中心区域，并且具有与盘和中心构件之间的环形间隙以及隔膜的第一环形间隙对准的第一环形间隙。微型静电电动机还包括设置在第一隔膜上的接地面。所述主体构件具有一对端口，以允许流体流过所述腔室。所述盘和所述中心构件由也包括主体框架的材料构成。
根据一个方面，一种微型静电电动机包括：具有第一面和第二面的主体，该主体至少具有外壁和内壁，该内壁限定了圆形腔室；布置在圆形腔室中的盘，该盘与腔室的内壁物理间隔开，该盘具有中心构件部分；支撑在盘的第一表面上的一组三个的相互电隔离的电极，每个电极具有凸片部分并且与中心构件部分电隔离；在主体的第一面上的第一隔膜，第一隔膜与主体的限定在至少外壁和内壁与中心构件部分的表面之间的一些表面部分接触，第一隔膜具有围绕与中心构件接触的第一隔膜部分限定的环形空隙；第二隔膜，与限定在至少外壁和内壁之间的、主体的相对表面部分接触；和在第一或第二隔膜的部分上的一对隔开的电极，该一对隔开的电极通过间隙绝缘。
上述方面可包括以下特征中的一个或多个:
所述一对第二电极中的每一个在所述第二对电极中的每一个的一部分中均具有第一孔洞，以容纳导电通孔，以形成外部电连接。所述第一隔膜支撑所述一对第二电极，并且在所述第一隔膜的部分中、在所述凸片由于所述圆盘构件的旋转而行进的路径上具有孔洞。围绕所述第一隔膜的与所述中心构件接触的部分限定的所述环形空隙使得所述中心构件能够与所述盘一起旋转，以限定一转轴，该转轴作为所述第一隔膜的与所述中心构件接触的部分和所述环形空隙的组合。所述第二隔膜进一步与所述中心构件的相对表面接触，所述第二隔膜具有环形空隙，该环形空隙是围绕所述第二隔膜与所述中心构件的相对表面接触的部分所限定的。
根据一个方面，微型静电电动机包括：具有第一面和第二面的主体，该主体至少具有外壁和内壁，该内壁限定圆形腔室；布置在圆形腔室中的盘，该盘与腔室的内壁物理间隔开，该盘具有第一隔膜层，其具有粘接到中心构件部分的中心区域，并且具有与环形间隙对准的第一环形间隙，以及围绕第一环形间隙的外周的第二环形间隙，该第一环形空间将中心构件部分与盘部分隔开；和间隔层，其具有粘接到隔膜层的中心区域的中心区域，并且具有与环形间隙对准的第一环形间隙，该环形间隙将中心构件部分与盘间隔开并且进一步与隔膜中的第一环形间隙对准；第二隔膜，与主体的限定在至少外壁和内壁之间的相对表面部分接触；和在第一或第二隔膜的一些部分上的一对间隔开的电极，该一对间隔开的电极通过间隙绝缘。
上述方面可包括以下特征中的一个或多个:
所述一对第二电极中的每一个在所述第二对电极中的每一个的一部分中均具有第一孔洞，以容纳导电通孔，以形成外部电连接。其中所述第一隔膜支撑所述一对第二电极，并且在所述第一隔膜的部分中、在所述凸片由于所述盘构件的旋转而行进的路径上具有孔洞。围绕所述第一隔膜与所述中心构件接触的部分限定的所述第一环形空隙固定所述中心构件，以抑制所述中心构件的旋转，以限定一固定轴，该固定轴作为所述第一隔膜与所述中心构件接触的部分和所述第一环形空隙的组合；并且限定在第一和第二环形空隙之间的环形区域限定一轴环，以传递所述盘绕固定轴的旋转。所述盘的表面是第一表面，并且所述第二隔膜进一步与所述中心构件的相对表面接触，所述第二隔膜具有第一环形空隙，该第一环形空隙被围绕所述第二隔膜与所述中心构件接触的部分而限定，并且具有第二环形空隙，该第二环形空隙是围绕所述第一环形空隙限定并与所述第一环形空隙间隔开，所述第一和第二环形空隙限定了所述第一隔膜的与所述盘的第二表面接触的环形区域。
根据一个方面，一种微型静电电动机包括：第一电动机堆叠结构，包括:具有第一腔室的第一主体；在第一主体的第一面上的第一隔膜；和可旋转地设置在第一腔室中的第一盘，在第一盘的第一表面上具有三个相互电隔离组成的第一组电极，每个电极具有凸片部分；第二电动机堆叠结构包括:具有第二腔室的第二主体；在第二主体的第一面上的第二隔膜；和可旋转地设置在第二腔室中的第二盘，在第二盘的第一表面上具有三个相互电隔离组成的第二组电极，每个电极具有凸片部分；和在第一电动机堆叠结构和第二电动机堆叠结构之间的接口。
根据一个方面，一种制造具有可旋转元件的微型静电装置的方法，该方法包括:图案化具有导电层的材料片体，以由该片体提供具有壁的框架，该框架具有限定腔室的内壁、在腔室中的盘、以及中心构件，该盘具有至少三个电极层，每个电极层具有形成转子元件的凸片；将支撑一对间隔开的电极的第一隔膜粘接在第一隔膜上，以形成隔开的定子电极；图案化所述第一隔膜，以提供第一环形空隙，该第一环形空隙被围绕所述第一隔膜的与所述中心构件接触的部分而限定；和在片体和隔膜中形成用于电连接的通孔。
上述方面可包括以下特征中的一个或多个:
其中图案化所述片体进一步包括:图案化所述片体以提供图案化的盘和附接到盘的中心构件。该方法中，被围绕所述第一隔膜的所述部分限定的所述环形空隙与所述中心构件接触，并使所述中心构件能够与所述盘一起旋转，以限定一转轴，该转轴作为所述第一隔膜的与所述中心构件接触的部分和所述环形空隙的组合。其中图案化所述片体进一步包括:图案化所述片体以提供与中心构件物理间隔开的图案化盘。该方法中，围绕所述第一隔膜的与所述中心构件接触的部分限定的所述第一环形空隙固定所述中心构件，以抑制所述中心构件的旋转，从而限定一转轴，该转轴作为所述第一隔膜的与所述中心构件接触的部分和所述第一环形空隙的组合。其中图案化所述隔膜进一步包括:图案化所述隔膜以限定第二环形空隙，该第二环形空隙被围绕所述第一环形空隙限定并与所述第一环形空隙间隔开，所述第一和第二环形空隙限定所述第一隔膜的与所述盘的表面接触的环形区域；并且其中限定在第一和第二环形空隙之间的环形区域限定一轴环，以传递所述盘绕固定轴的旋转。
上述一个或多个方面可以提供以下一个或多个优点。
部件可以包括可围绕固定构件旋转的微特征，并且可以使用相对便宜的技术制造，例如卷对卷加工的变化。这些可旋转特征可适用于各种部件或与各种部件一起使用，例如用于微型静电电动机的转子。
微型静电电动机可以使用微型制造方法制造，并且可以用作用于各种工业、医疗和生物应用的高速、低扭矩电动机或低速高扭矩电动机。下面描述的微型静电电动机装置是使用相对便宜的技术制造的。在特定实施例中，下面描述的微型静电电动机装置使用卷对卷制造技术制造。
本发明的一个或多个实施例的细节在附图和以下描述中阐述。从说明书和附图以及权利要求中，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是处于制造阶段的静电电动机的平面图。
图4-5分别是静电电动机的转轴实施方式和静电电动机的固定轴实施方式在各自的构造阶段的平面图，每个部分被剖开。
图4a是图4的分解剖视图。
图4b是显示图4、4a的微型静电电动机的横截面图，各层附接在一起。
图5a是图5的分解剖视图。
图5b是显示图5、5a的微型静电电动机的截面图，其中各层附接在一起。
图6是微型静电电动机的立体图。
图7是示出微型静电电动机的堆叠结构的剖视图。
图8a、8b分别是微型机械力传递装置一个平台的平面图和剖视图。
图9是微型机械力传递装置的转轴实施方式的横截面分解图。
图10是微型机械力传递装置的固定轴实施方式的横截面分解图。
图11是微型机械力传递装置的第二级的平面图。
图12分别是堆叠的微型机械力传递装置的透视分解图。
图13是用于制造电动机和微型机械力传递装置结构的卷对卷加工的流程图。
图14a-d是显示微型机械力传递装置的转轴实施方式的某些构造阶段的透视图。
图15a-15f是显示微型机械力传递装置的固定轴实施方式的某些构造阶段的透视图。
具体实施方式
微型静电电动机概述
本文所述的微型静电电动机是使用廉价的微型制造方法制造的，并且可以用于在各种工业、商业、医疗和生物应用中将电能转换成机械能。微型静电电动机装置是在微米/毫米尺度上制造的。公开了几种制造技术。
传统的同步静电电动机类型可以被认为是可变电容器(variablecapacitor)，其响应于输入而旋转，所述输入例如是施加在定子和转子板之间的方波电压。当同步静电电动机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内旋转半圈。
在传统的异步静电电动机类型中，操作依赖于电场，该电场在一表面上产生感应电荷，导致电场在该表面上施加扭矩。这种效应在异步静电电动机中通过将旋转场电耦合到一组固定电极、在不同组的固定电极上使用相移电压来实现。
参考图1，示出了处于构造阶段的微型静电电动机装置10。图1示出了微型静电电动机装置10的前侧10a。微型静电电动机装置10显示为处于载体层上，例如，网11或由网11承载的层(用于下文讨论的卷对卷处理)，并且包括单个圆形腔室12。对微型静电电动机装置10的初步讨论将解释微型静电电动机装置10的某些细节和操作原理。微型静电电动机装置10可以是同步或异步类型。
微型静电电动机装置10包括主体14(其由用于卷对卷(roll-to-roll)处理的网所承载，或作为卷的一部分)，该主体14具有多个外壁，例如四个壁14a-14d和限定圆形腔室12的内部圆形壁。可选地，两个壁，例如主体14的壁14a、14c，可以具有端口15a、15b，端口15a、15b提供来自外部流体源和外部流体容器(未示出)的流体入口或出口。在操作中，可选端口15a、15b中的一个充当流体流的入口，而可选端口15a、15b中的另一个充当流体流的出口，例如用于冷却电动机的空气(对端口的输入与输出根据电动机转子部分的旋转方向确定)。
微型静电电动机装置10还包括中心可旋转盘16(盘16)，其由主体层14的材料制成，不导电，并且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)设置的平板或压板(盘16)，该构件用作转轴18’(附接到盘16的可自由旋转的构件)或者用作固定轴18”(不旋转但用于让盘16在腔室内围绕其旋转的固定构件)。构件18作为转轴18’的构造细节将在图4中阐述，构件18作为固定轴18”的构造细节将在图5中讨论。
电隔离电极16a-16c以120度的物理间隔隔开。电隔离电极16a-16c由通过对盘16上的电极图案化而提供的非导电通道间隔开。每个绝缘电极16a-16c分别具有导电凸片突出部分，即凸片17a-17c。承载电隔离电极16a-16c和导电凸片17a-17c的盘16一起用作转子(并且在下文中将被称为转子20)。
当构件18构造成固定轴18”时，转子20绕静止的构件18旋转。在固定轴18”的实施方式中，转子20通过相对小的间隙19a与构件18物理和电气隔离，该间隙19a没有用于形成电极16a-16c的金属，也没有用于形成盘16的材料。
当构件18被配置为转轴18’时，转子20物理地附接到构件18，并且具有通过相对小的间隙19a与转轴18’电隔离的电极16a-16c，该间隙19a没有用于形成电极16a-16c的金属。相对小的间隙意味着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的间隙尺寸为微米大小，足够大以至于中心芯16a不与构件18电耦合。
虽然转子20被示为具有三个电极作为多个绝缘电极16a-16c，它们与导电的电隔离凸片17a-17c间隔120度，但是在一些实施方式中，可以有多于三个的电极和相应的凸片，它们将按360度/n间隔开，其中n是电极的数量。
图1中还示出了桥接构件25a和25b，例如在制造过程中从主体14图案化的并用于将转子20系到主体14上的元件。图1中还示出了在制造过程中用于将构件18系在转子20上的桥接构件27a、27b以及背侧隔膜28。
现在参考图2，图1的组件被示出，其中桥接构件25a和25b以及桥接构件27a、27b(图1)被移除，留下转子20，所述转子在随后的制造阶段附接到构件18。图2中还示出了设置在电动机10的前侧10a上的第一隔膜层24，该第一隔膜层24支撑金属化表面37a(显示为向回剥离)，该第一隔膜层24被图案化以形成电极36与38。
用于系住构件18和盘的桥接构件(未示出)在该制造阶段之后被移除。
现在参考图3，示出了处于后续制造阶段的微型静电电动机装置10。转子20以虚线示出，其中桥接构件被移除。微型静电电动机装置10包括设置在主体14上方的隔膜层24上的一对电极36、38(用作定子)，并且这些电极通过间隙35电隔离。每个电极36、38具有一对孔36a、38a中相应的一个。孔36a和38a将容纳导电通孔(conductivevia)，以提供电连接，从而分别向电极36与38提供电压。
第二隔膜37具有一对孔37a、37b。当转子20旋转时，孔37a和37b与凸片17a-17c行进的圆形路径对准。该对电极36、38除了彼此电隔离之外，还通过隔膜层24与设置在主体14上的电极16a-16c以及它们的相关凸片17a-17c电隔离。在图3中，为了便于观察并结合下面的解释，用黑色虚线示出了凸片17a-17c。电极36与38也在构件18周围的区域中被图案化，以与构件18物理和电隔离。
转轴实施方式
现在参考图4，尤其是图4a和4b，示出了转轴的实施方式。在转轴的实施方式中，在电动机10的构造过程中，例如，在转子20的构造之后并且在添加隔膜层24之前，粘接层23被图案化，并且其一些部分23a、2b保留在主体14的壁的顶表面上(在图1中引用)和转子20的中心周围的区域中(将形成转轴18’的转子中心周围的区域)。设置在电动机10上的隔膜层24粘接到主体14的壁的顶面和转子20的中心。隔膜24的其他部分与电动机10的其他部分(例如转子20)接触，但不粘接于其上。因此，转子20自由旋转，沿一个维度被隔膜24(和背侧隔膜28)限制。隔膜层24被图案化，留下环形空隙(即间隙19a)，如图所示。该环形空隙或间隙19a使得隔膜24的粘接到转子20中心的部分自由旋转，从而允许隔膜的中心部分提供转轴18’的一部分。
在图4b中，第二粘接层(未示出)被图案化，以使粘接材料(未示出)保留在主体14的壁的底表面和转子的中心区域上。第二隔膜28被设置成粘接到主体14的壁的底表面上，并且位于电动机10背面的中心区域中。第二隔膜层28粘接到例如主体14的壁的底表面和转子20背面的中心。第二隔膜层28被图案化，留下第二环形空隙。该第二环形空隙29a使隔膜28的粘接在转子20背面中心的部分自由旋转，从而将转轴18’带到电动机10的底部。如果需要，第二隔膜28可以承载接地面(如图所示)。如果需要，前侧和后侧可以变薄。
因此，具有转轴18’的电动机元件10由夹在两个主体隔膜层24和28之间的主体层14提供。转轴18’可以延伸到电动机10的一个或两个相对的主表面，并且(在一些实施例中)穿过该主表面。
固定轴实施方式
现在参考图5和5a，在固定轴的实施方式中，在电动机10的构造过程中，主体层14被图案化以提供转子20和通过间隙19a与转子20物理间隔开的中心构件18(见图5a)。在转子20的构造之后，在添加隔膜24’之前(除了某些图案差异之外，功能上类似于隔膜24)。
在图5a中，粘接层(未示出)被图案化，在主体14的壁(参见图1)的顶面上留下粘接剂的第一区域23a，在中心构件18上留下粘接剂的第二区域23b，以及作为与粘接剂材料的第二区域23b间隔开的环形粘接剂区域的第三区域23c。隔膜层24’设置在粘接区域23a-23c上。隔膜层24’在具有粘接材料的区域中粘接，即粘接到主体14的壁的顶面、转子20的中心区域(由于粘接材料的第二区域23b)和粘接材料的环形区域的第三区域18c。隔膜24’的其他部分与电动机10的其他部分(例如转子20)接触，但不与其粘接，因此转子20在隔膜24’的限制下自由旋转。
在图5a中，另一个粘接层(未示出)设置在隔膜24’上。隔膜层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)粘接剂的第一区域23a和第二区域23b之间。隔膜层24’被进一步图案化，留下与环形间隙19b隔开的第二环形空隙19c，如图所示。第一环形空隙19b设置在隔膜24’的、通过(主体构件14的)粘接区域23b粘接到构件18的部分周围。隔膜24上的粘接层(未示出)被图案化，在区域47a、47b和47c上留下粘接剂材料。
主体层48设置在图案化的隔膜24’上，并且主体层48被图案化以留下主体壁(未示出)、由间隙19d与主体层48的环形构件部分48b隔开的中心部分48a、以及由环形空隙19c与主体壁(未示出)隔开的环形构件部分48b。因为构件18在物理上与转子20间隔开，并且构件18仍然粘接到隔膜24’(和相应的背侧隔膜28’)，所以构件18是固定的，并且当转子20旋转时不会旋转。因此，该实施方式中的构件18充当固定轴18”。
固定轴18”通过层24’和48被带到层48的顶部。对于固定轴18”，当转子20固定的固定轴18”旋转时，电动机10和固定轴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添加翅片或叶片)。
参考图5b，因为隔膜层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被粘接到转子20上(通过粘接区域47c和18c)。该环形区域48b有效地留下了围绕固定轴18”的小(宽度尺寸)套环21，该套环21随着转子20的旋转而旋转。套环21将转子20与隔膜24’和主体层48隔离开。
第二粘接层(未示出)被图案化以使粘接材料保留在主体的壁的底表面上，并且第二隔膜28’被设置在主体14的壁的底表面上。如图所示，该第二隔膜28’(除了图案化之外，类似于图4a的隔膜28)可以仅在中心部分设置有粘接区域。在一些实施方式中，固定轴18”可以延伸到电动机10的背面，重复上述过程。因此，具有固定轴18”的电动机元件10由夹在两个5微米主体层之间的主体层14提供。固定轴18”可以延伸到电动机10的一个或两个相对的主表面。另一个隔膜52可以用主体层上的适当图案化的粘接区域固定到主体层48上。
图5b示出了具有固定轴18”的组装电动机10，主体层48在主体层14的隔膜24’和隔膜28’上。图6示出了组装好的电动机10(转轴实施方式)的图示。
操作原则
转子20具有电极16a-16c，当转子20在电极16a-16c和电极36与38之间旋转时，电极16a-16c收集电荷并释放收集的电荷。因此，实际上，在电极16a-16c和电极36与38之间的是电容器元件，它们积累电荷并对电荷进行放电，如上所述。电荷是动态的，并且与由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与38以及这些电极之间的介电材料的组合。考虑到电极16a-16c和36与38之间的介电材料的介电常数、这些电极的重叠面积、以及重叠的成对的这些电极16a-16c和36与38之间的距离，这些电容器将具有至少由平行板电容器的公式近似得到的电容，如下:
c＝(∈r ∈0)a/d
其中，c为电容，单位为法拉；a是两个电极重叠的面积，单位为平方米；εr是电极之间材料的介电常数(隔膜和流体的介电常数之和)；ε0为电常数(ε0≈8.854×10-12f·m-1)；d是板之间的间距，单位为米，其中d相对于a的最小弦来说足够小。
与用于类似目的的传统静电电动机相比，静电电动机10可以使用更少的材料，因此受到更小的应力。静电电动机10具有微米到毫米尺度的尺寸。
异步电动机操作
电动机10作为异步电动机的操作可以解释如下:考虑施加在电极16a-16c和电极36与38之间的电压。在电极16a-16c和电极36、38之间设置电压电位差，将在电极16a-16c(例如16a)上具有例如正电荷，在电极36、38(例如电极38)上具有例如负电荷。电极16a带正电荷，电极38带负电荷(相对于16a上的电荷)，这种情况将导致转子20因相反电荷的吸引而旋转。当转子20开始旋转时，由于将电极16a与电极38分开的材料(一种或多种)的介电特性以及电极16a距电极38的边缘的相对距离，没有电荷从电极16a转移到电极38。
然而，由于带正电的电极16a被吸引到带负电的电极38而产生吸引力或扭矩，导致转子20旋转(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。承载该带正电电极16a的转子20具有一些动量，并将继续在电极38下方行进。
然而，一旦电极16a-16c之一的凸片17a-17c之一与隔膜中的孔37a、37b之一对准，电极36、38中的相应一个在该孔上方，这种对准导致电荷从转子20上的对应一个电极16a-16c的凸片17a-17c中的被对准的那个凸片净转移到定子电极36或38。
在图3的情况下，假设电极38相对于电极36是负的，例如，电极36上为 500伏，且例如，电极38上为0伏，则当电极16a的凸片17a与孔37b对准时(假设它最初可能已被充电)，通过从电极16a经孔37b到电极38的电弧放电，在凸片17a(以及伴随的电极16a)和定子电极38之间发生电荷净转移。由从凸片17a到电极38的电弧放电提供的这种电荷转移使电极16a处于净负电荷，这将电极16a排斥远离电极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，存在电荷差并因此存在吸引力，直到电极的凸片在电极36、38中的孔37a、37b之一下方，这导致放电和排斥力。
电荷的转移是通过电荷的电弧来实现的，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)到附近的电极(例如，从靠近孔37b的凸片17a获得负电荷的电极38)的电弧(未示出)。由于凸片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，该介电常数低于将电极16a-16c与电极36、38分开的材料的介电常数，因此在电极16a-16c中的相应一个(在该说明中，电极16a-16c经由凸片17a)与电极36、38中的相应一个(在该说明中，电极38)之间产生电弧。
当电荷从一个电极转移到另一个电极时，就会产生电弧。如果分隔电极的电介质的击穿电压被克服，电弧就会产生。考虑带有50至500埃(angstroms)厚的导电层的、5微米厚的隔膜，空气的介电击穿电压约为每微米3v，因此对于空气来说，任何超过约15伏的电压都会在凸片17a-17c之一对准孔37a或37b之一时引起电弧。然而，所产生的电弧具有足够低的能量(即极低的电流，因此具有极低的功率)，从而不会对构成电动机10的任何材料产生不利影响。因此，可以施加15至500伏的电压。更具体地，可以使用15至250伏范围内的电压，更具体地，20至50伏范围内的电压，等等。
可以说，在上述条件下所施加的电压应处于保证电弧所需的最小电压和最大电压之间，该最大电压是会对电动机10的材料造成一些有害影响的电压。因此，其他电压范围应在本发明的范围内。
同步电动机操作
在一些实施方式中，电动机10可以作为同步电动机操作。同步电动机示例可以将电动机视为可变(旋转)电容器。方波电压或正弦波施加在电极16a-16c和电极36与38上。当电动机10同步运行时，转子20在一个电压周期内转动半圈。在四分之一转中，当转子20和电极16a-16c以及定子电极36、38彼此接近时，由于例如电极16a-16c是正的而定子电极36、38是负的，在它们之间存在相互吸引的电压。在下一个四分之一转期间，施加的电压为零，但是转子20由于惯性而继续旋转。
参照图7，图4中两个电动机10的堆叠布置10’(具有转轴18’的转轴实施方式)显示为具有间隔层40(可选)。堆叠布置10’包括图4的两个电动机10(每个电动机都具有带有隔膜24、28的主体层14)，并且可以包括顶盖和底盖(未示出)或用于密封电动机的外壳(未示出)。盖可以是未被图案化的额外主体层，但是其被固定到成品电动机10的顶层和底层。图5的两个电动机10的堆叠布置，即转轴实施方式，也可以与顶盖和底盖(未示出)或外壳(未示出)一起提供。
微机械传力装置概述
在一些实施方式中，微型静电电动机10(转轴或固定轴型)可以与微型机械力传递装置一起使用。
本文描述的微型机械力传递装置是使用微制造方法制造的。本文描述的微型机械力传递装置是齿轮类型的，并且通常包括一个或多个齿轮。多个齿轮可以在单个模块中相互啮合在一起，以提供齿轮系。齿轮可以在可重复的层(齿轮模块)中构建，以提供各种类型的复杂齿轮布置。这些微型机械力传递装置可用于完成机械力传递的各个方面。例如，微型机械力传递装置可用于增加或降低旋转速度、增加或减少输入力的扭矩，或改变输入力的旋转平面或改变旋转方向(即让旋转方向逆转)。输入力可以来自上述任一种类型的静电电动机，也可以来自其他来源。这些微型机械力传递装置可应用于各种工业、商业、医疗和生物应用中。微型机械力传递装置使用下面将讨论的卷对卷加工技术在微米/毫米尺度上制造。
参照图8a和8b，示出了处于构造阶段的微型机械力传递装置110的第一阶段110a。微型机械力传递装置110是齿轮系装置，其将机械力从在本文被称为输入齿轮的一个从动齿轮(drivengear)传递到在本文被称为输出齿轮的另一个齿轮。第一级110a包括与输出齿轮114相互啮合的输入齿轮112。在该示例中，微型机械力传递装置110(齿轮系)的第一级110a降低转速并增加输入齿轮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，增加旋转速度和减少在输入齿轮和输出齿轮之间扭矩的齿轮系可以替代地由具有比输出齿轮更多齿的输入齿轮构建。
微型机械力传递装置110包括支撑在隔膜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的内部限定内腔118。壁(例如壁116a-116d)可以可选地具有从外部流体源和外部流体容器(未示出)提供流体进入或离开的端口。在其他实施例中，壁116a-116d是没有端口的实心壁，如图所示。
图8a中还示出了拴系构件113a、113b和115。这些拴系构件是从齿轮主体116形成的桥接元件，并且用于在制造过程中将齿轮112和114拴系到齿轮主体116。拴系件(仅示出三个)113a、113b、115用于在制造的早期阶段将可移动的、可旋转的部件保持在适当的位置，但是在最终组装之前被移除。包括齿间间隙的腔室118的内部可以填充低粘度的润滑流体，以提供流体润滑和机械阻尼。第一齿轮112通过一对拴系元件113a、113b拴系到第二齿轮114上。第二齿轮114通过拴系元件115拴系到壁116a-116d之一，例如齿轮主体116的壁116d。
参考图8b，主体层116被图案化以提供齿轮支撑结构125。第一齿轮112连接到转轴或固定轴(未示出)，并由第一齿轮支撑元件122支撑，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位于相应的齿轮112、114下方，以支撑这些齿轮，这将在下面讨论。
可选地，在一些情况下，第二齿轮114可以联接到机械接口142的转轴(未示出)或固定轴(未示出)，但是通常可选的第二机械接口(未示出)将定位在装置110上方以联接到第二齿轮114。
在机械接口142的一种实施方式中，微型机械力传递装置110联接到电动机10的转轴18’(图4，4a，4b)，并且由电动机10构成，如现在将要描述的。
现在参考图9，从图4、4a和4b(图4b的视图)的电动机开始，隔膜层24设置有粘接层(未示出)，该粘接层被图案化以提供中心区域129b和在主体层14的壁14a-14d(图1)上方围绕隔膜24的粘接区域129a。为简单起见，转子、导体等被示出但未被标记。隔膜28位于主体14的下侧。
主体层128设置在隔膜24上，并在具有粘接剂的区域129a、129b中粘接到隔膜。主体层128被图案化以提供合适的齿轮主体支撑结构125(类似于图8b的支撑结构125)，该齿轮主体支撑结构125是根据将要提供的齿轮而配置的。齿轮主体支撑结构125具有类似于齿轮(例如，112、114(图8))尺寸的特征。主体层128被图案化以提供环形间隙127，该环形间隙127提供主体层128的材料的中心区域。(这将为每个齿轮提供，在横截面中仅示出齿轮112)。粘接层(未示出)被图案化以提供区域129a和129b。另一个隔膜131设置在主体层128上，其中图案化的粘接层132a、132b之后是齿轮主体层116(见图8a和8b)。主体层128的中心区域的与具有粘接剂129b的表面相反的表面粘接到电动机10的转轴18’。
可以在图9所示的结构上提供另一个隔膜层、齿轮主体支撑件、隔膜和齿轮主体层(都具有合适的图案化粘接层和间隙)的组合，以在垂直方向上构建齿轮系。此外，可以提供更多这样的隔膜、齿轮支撑件、齿轮层和隔膜的组合，以建立复杂的齿轮结构。此外，在具有相应齿轮支撑层特征的特定齿轮主体层内可以提供更多这样的齿轮。
在机械接口142的另一种实施方式中，微型机械力传递装置110联接到电动机10的固定轴18’(图5、5a、5b)，并且由电动机10构成，如现在将要描述的。
现在参考图10，从图5、5a和5b的电动机10(图5b所示的视角)开始，电动机10包括主体层14、隔膜24’和具有固定轴18”的隔膜28’，并且主体层48设有粘接层(未示出)，该粘接层被图案化以周围在主体层14的壁14a-14d(图1)上对准的主体层48提供粘接区域152a、环形粘接区域152b和中心区域152c。为简单起见，转子、导体等被示出但未被标记。具有图案化环形空隙(未示出)的隔膜154’设置在主体层48上，并在粘接区域152a-152c中粘接到主体层48。
在一些实施方式中，主体层158设置在隔膜154’上，并在所示但未标记的具有粘接剂的区域中粘接到隔膜24’。主体层158被图案化以提供齿轮主体支撑件。齿轮主体支撑件的尺寸和范围与将要提供的齿轮特征相似。特征被图案化以提供环形间隙157a和157b，环形间隙157a和157b提供主体层158的材料的中心区域159。(这将为每个齿轮提供，在横截面中仅示出齿轮112。)在一些实施方式中，层48可以被设置为齿轮支撑层，在这种情况下，将不使用主体层158。
未示出的粘接层被图案化以提供区域159a和159b。另一个隔膜160设置在主体层上，图案化的粘接层162a、中心区域162b和环形区域162c之后是齿轮主体层116(图8a、8b)。
可以在图10所示的结构上提供另一个隔膜层、齿轮主体支撑件、隔膜和齿轮主体层(都具有合适的图案化粘接层和间隙)的组合，以在垂直方向上构建齿轮系。此外，可以提供更多这样的隔膜、齿轮支撑件、齿轮层和隔膜的组合，以建立复杂的齿轮结构。此外，在具有相应齿轮支撑层特征的特定齿轮主体层内可以提供更多这样的齿轮。
现在参考图11，微型机械力传递装置110的第二阶段111b显示为处于构造阶段(stageofconstruction)。第二级111b具有带壁166a-166d的齿轮主体166，壁166a-166d包围腔室167，腔室167是另一齿轮系，其将机械力从第三齿轮172(例如，从动齿轮或输入齿轮)传递到第四齿轮174(例如，第二级的驱动齿轮或输出齿轮)。在该示例中，所示的微型机械力传递装置级111b是第二齿轮系，其进一步降低转速并增加输入齿轮172和输出齿轮174之间的扭矩。第二级111b包括隔膜层(未示出)、齿轮支撑层(未示出)和齿轮层111b，齿轮层111b可以使用针对图9或图10(转轴或固定轴版本)讨论的原理来提供。齿轮用拴系件(图中未标出)系住。
在操作中，齿轮之一用作输入或驱动齿轮，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。在所描述的微型机械力传递装置10中，输入齿轮172从微型机械力传递装置110的输出齿轮114从第一级111a(图1)被驱动，以将力从第一级111a传递到微型机械力传递装置110的不同的第二级111b。齿轮172、174可绕固定轴或旋转轴旋转。
现在参考图12，示出了带有静电电动机10的堆叠微型机械力传递装置110’，该装置具有三个齿轮层(以图形表示，但是每个齿轮层都根据图8a-10构造)。虚线表示相邻级齿轮之间的级间连接点，箭头表示旋转方向。第1级(s1)是驱动级，包括电动机，例如图4或5的转轴或固定轴类型。第2级和第3级(s2和s3)分别是减速、扭矩增加级，其使得旋转方向逆转。第4级(s4)是缓冲级，在输出端保持与该级的输入端的输入方向速度相同的方向和速度。
制造
具有上述特征的静电电动机10和微型机械力传递装置10可以使用各种方法制造，例如mems加工技术和所谓的卷对卷(rolltoroll：r2r)加工。静电电动机10的材料是基于静电电动机10提供的特征和静电电动机10的制造方法来选择的。以下是选择静电电动机10的不同部件的材料的一些标准。
电动机力传递装置主体——电动机主体14(以及主体24和44以及力传递主体)使用的材料可按照需求限定。一般来说，材料需要足够坚固或坚硬，以保持其形状，从而产生腔室。在一些实施方式中，材料是可蚀刻的或光敏的，使得其特征(例如转子20和腔室12等)可以被限定和加工/生成。有时还希望材料与静电电动机10中的其他材料良好地相互作用，例如粘接。此外，该材料是不导电的。合适材料的例子包括su8(负环氧抗蚀剂)和pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)抗蚀剂。
隔膜——该部分的材料可以是弹性材料，其与主体14或力传递主体一起承载导电层，从该导电层提供各种电极。因此，材料如果有弹性，则可以前后弯曲或拉伸，但这种弹性特性不是必需的。隔膜材料对包括气体和液体在内的目标流体是不可渗透的，是不导电的，并且可以具有低或高的击穿电压特性。合适材料的例子包括氮化硅和特氟隆。其他坚硬的材料也是可以的。
电极——电极的材料是导电的。因为电极不传导大量的电流，所以该材料可以具有高的薄层电阻，尽管高电阻特性不是必需的。电极与隔膜一起经受弯曲和拉伸，因此，希望材料柔软以加工出这种弯曲和拉伸而不会疲劳和失效。此外，在操作条件下，电极材料和隔膜材料应粘接良好，例如，彼此不分层。合适材料的例子包括非常薄的金和铂层。其他的都是可以的。
电互连——电容测量电路的电压传导到每个腔室的每个隔膜上的电极。使用导电材料，例如金和铂，可以建立到这些电极的导电路径。
其他材料——当mems加工用于制造微型静电电动机10时，可以使用牺牲填充材料，例如聚乙烯醇(pva)。牺牲填充材料也可用于r2r加工。在一些实施方式中，在制造过程中使用溶剂，这可能对微型静电电动机10的各种构建材料提出额外的要求。可以将一些电路元件印刷到隔膜上。一般来说，虽然上面已经指定了某些材料，但是也可以使用具有与所提到的材料类似的性质的其他材料。
端板(图中未示出)可以放置在成品电动机10的上方和下方，以保护电极和隔膜等免受环境影响。成品电动机10可以封装在各种类型的封装中，例如用于集成电路的封装。
如上所述，虽然可以使用几种方法来制造静电电动机10，但是下面讨论的mems处理(微机电系统)技术将是通过卷对卷处理进行的制造技术，其也可以应用于其他类型的装置/系统的形成。
制造微型静电电动机和微型机械力传递装置的卷对卷加工
卷对卷加工线可以包括几个工位，这些工位可以是或包括封闭的腔室，在这些腔室中进行沉积、图案化和其他加工。因此，从高层次来看，加工可以是增材法(在需要的地方添加材料)或减材法(在不需要的地方去除材料)。根据需要，沉积处理包括蒸发、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诸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(胶印)印刷之类的技术，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以用来放下诸如导体这样的功能材料。可以使用其他技术，如冲压、压印和压花。
最初的原材料卷是由柔性材料制成的。在卷对卷加工中，柔性材料的网可以是任何这样的材料，并且通常是玻璃或塑料或不锈钢。虽然这些材料(或其他)都可以使用，但塑料比玻璃和不锈钢成本更低。具体材料将根据微型静电电动机10的应用来确定。在应用中，可以使用不锈钢等材料或其他能够承受遇到的温度的材料，如特氟隆和其他能够承受所遇到的温度的塑料。然而，对于不锈钢，需要考虑介电性，以确保各种元件之间的电隔离。
对于所示的结构，卷对卷加工生产线内的工位是根据所需的加工设置的。因此，虽然在一种实施方式中端盖和顶盖可以形成在网或塑料片体上，但是端盖和顶盖是在形成微型静电电动机10的叠层之后提供的，如将要描述的那样。
现在参考图13，示出了描述提供电动机10的卷对卷处理180的流程图(类似的处理用于微型机械力传递装置110)。例如50微米厚的非金属片体这样的柔性材料片体(未示出)在主表面上具有双面粘接剂182，其将用作主体层14(图1)。粘接剂是1801型的。对于电动机10的特定实施方式，材料是聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。可以使用其他材料。
具有粘接剂的片体被图案化(184)，以从对应于移动部件的所有区域清除粘接剂。因此，例如对应于转子20和构件18部分(图1)的片体部分没有粘接剂区域。掩模(未示出)用于配置激光烧蚀工作站，以从将形成这些特征的片体区域去除粘接剂。
使用另一个掩模(未示出)或直写来对该片体进行微加工(186)，以配置激光烧蚀工作站，以限定或形成腔室12和如图1中所讨论的被拴系的转子20。还为电气连接提供通孔。微加工去除塑料以在主体14中形成腔室12、转子16和构件18(图1)。
在构件18不固定但旋转的实施例中，在转子20上的电极(穿过金属，但不穿过主体层)和构件18之间存在小间隙，并且不使用粘接层18a。在构件18被固定的实施例中，在转子20(穿过金属和主体层)和构件18之间存在小间隙，并且使用粘接层18a。
具有微加工腔室12、转子20和构件18的片体在两侧被层压(188)到一对隔膜片上，例如5微米厚的pet片体，具有100埃厚的铝金属层。该片体在两侧被层压(188)到隔膜片上，这些片体的金属层从主体面向外，提供复合片体。
隔膜片被图案化(190)，以形成图案化电极16a-16c和由隔膜片承载的凸片17a-17c，并提供设置在主体14的腔室12中的转子20。转子20连接到构件18，允许两者在腔室12内自由旋转(图4)。在涂覆金属层之前或之后，加工这些板以提供对准的孔(未示出)。
支撑图案化电极的板被层压(7192)在设置在板两侧的一对预制密封层之间。密封层是具有1801粘接剂的50微米片体。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。
复合片体被加工成切割(196)释放点，以释放移动部件，例如转子20和构件18，切割用于将电动机10定位在夹具中的定位销孔(未示出)，并切割用于从片体阵列中分离电动机的缝线。复合片体与设置在片体170两侧的第二对预制密封层(仅示出层182)层压(198)，密封层是具有1801粘接剂的50微米片。
图14a-14d和15a-15f示出了卷对卷加工的示例性阶段，以分别形成用于电动机10上的转轴和固定轴实施方式的齿轮系。
图14a-14d分别示出了用于转轴版本的各个层级：电动机主体上的图案化粘接剂、图案化隔膜层、具有齿轮支撑层特征的图案化主体层、和具有拴系件的齿轮。
图14a中特别示出的是中心盘16，其没有系到主体14上，图14b中示出了在图14a中的结构上方的隔膜层。在图14c中示出了拴系结构，该拴系结构具有四个拴系件200a-200d和四个拴系件202a-202d，该拴系件200a-200d将齿轮支撑件固定到中心盘16上方的齿轮支撑主体的壁上，该拴系件202a-202d将转轴拴系到齿轮支撑件上。在图14d中示出了另一种拴系结构，其具有四个拴系件210a-210d，将齿轮固定到齿轮模块的壁上，并将齿轮支撑在图14c的齿轮支撑件上。
图15a-15f分别示出了用于固定轴版本的层级：电动机主体上的图案化粘接剂、图案化隔膜层、具有齿轮支撑层特征的图案化主体层、轴环形成层、隔膜层、和具有拴系件的齿轮。
图15a中特别示出的是中心盘16，没有施加到主体14的拴系件，图14b中示出了在图14a中的结构上方的隔膜层24’，该隔膜层被图案化以提供两个环形间隙19b、19c(图5a)。在图15c中，示出了具有四个拴系件(未示出)的拴系结构，该拴系结构将齿轮固定到中心盘16上方的齿轮主体的壁上。在图15d中，示出了具有四个拴系切口的拴系结构(未标出)。在图15e和15f中，示出了固定轴实施方式的外部接口的形成。
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。
如上所述，上述技术还可以使用机器视觉系统产生数据文件，该数据文件被激光消融系统用于将激光消融站与掩模对准(或直接写入)，使得来自激光消融系统的激光束根据用于与主体的相应部分对准的掩模来提供特征。电极是通过烧蚀掉不属于电极和导体的区域中的金属而形成的，在片体上留下绝缘的电极和导体。
夹具或测试夹具(未示出)可以与定位销孔结合使用。有或没有定位销孔的其它组装堆叠技术也是可以的。
将堆叠的电动机10上的图案化电极互连的通孔导体(viaconductor)通过齿形结构的导体连接，也就是说，具有接触电极凸片的相对宽的区域和穿过电极中的孔的相对窄的区域。通过使主体部分中的孔大于穿过电极部分的孔来提供这种结构。这可以分别在主体和电极的图案化阶段完成。通孔导体通过将上述导电油墨引入孔中而形成。
本文描述的不同实现的元素可以被组合以形成上面没有具体阐述的其他实施例。元件可以被排除在本文描述的结构之外，而不会不利地影响它们的操作。此外，各种单独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。
其他实施例在随附的权利要求的范围内。例如可以使用将层粘接(即固定)在一起的其他技术，比如激光焊接等。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
