Product Design, Manufacturing & Innovation Resources
بيت » التشغيل الكهروستاتيكي لأنظمة MEMS

التشغيل الكهروستاتيكي لأنظمة MEMS

1990
  • William C. Tang
مشغل كهروستاتيكي MEMS مع تصميم محرك مشط في الهندسة الكهربائية.

(صورة توضيحية فقط)

يُعد التشغيل الكهروستاتيكي أحد العوامل الرئيسية. طريقة لتحفيز الحركة في MEMSتعتمد هذه التقنية على قوة التجاذب بين قطبين كهربائيين يفصل بينهما فجوة عازلة عند تطبيق جهد كهربائي. تتناسب هذه القوة طرديًا مع مربع الجهد الكهربائي وتدرج السعة. تشمل التصاميم الشائعة مكثفات ذات لوحين متوازيين للحركة خارج المستوى، ومحركات مشطية للإزاحة الكبيرة داخل المستوى.

يُفضّل استخدام التشغيل الكهروستاتيكي في الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) نظرًا لانخفاض استهلاكه للطاقة (مثاليًا، طاقة ساكنة معدومة)، وسرعته العالية، وتوافقه مع عمليات التصنيع الدقيق القياسية. تُعطى القوة الأساسية F في مشغل ذي لوحين متوازيين بالعلاقة F = ½ dC/dxV²، حيث V هو الجهد و dC/dx هو تدرج السعة C بالنسبة للإزاحة x. بالنسبة لمكثف مثالي ذي لوحين متوازيين، يتبسط هذا إلى F ≈ ½ εAV²/g²، حيث ε هي السماحية الكهربائية، وA هي مساحة اللوح، وg هي المسافة بين اللوحين. تُبرز هذه المعادلة تحديًا بالغ الأهمية: فالقوة غير خطية للغاية مع الإزاحة. مع انحسار المسافة، تزداد القوة الكهروستاتيكية بسرعة، بينما تزداد قوة الاستعادة الميكانيكية النموذجية (من نابض) خطيًا. عند نقطة معينة (عادةً ما تكون ثلث المسافة الأولية)، تتغلب القوة الكهروستاتيكية على قوة الاستعادة، مما يتسبب في انجذاب اللوح المتحرك بشكل غير مستقر إلى اللوح الثابت. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "الانجذاب"، تحد من نطاق الحركة المستقر للمشغلات الكهروستاتيكية البسيطة.

للتغلب على هذا القيد، تم اختراع محرك المشط. يتكون هذا المحرك من هيكلين متشابكين يشبهان المشط، مصنوعين من موصلات كهربائية. عند تطبيق جهد كهربائي، تتشكل مجالات كهروستاتيكية بين جانبي الموصلات. يُولد هذا المجال قوة جانبية تُحرك أحد المشطين بالنسبة للآخر، موازيًا للسطح. تكمن الميزة الرئيسية في أنه مع تعشيق المشطين، يزداد عدد أزواج الموصلات المتداخلة، بينما تبقى المسافة بينهما ثابتة. ينتج عن ذلك سعة كهربائية تتغير خطيًا مع الإزاحة، مما يُولد قوة مستقلة إلى حد كبير عن موضع المشط المتحرك. كان هذا التشغيل المستقر بعيد المدى تطورًا ثوريًا، مكّن من تطوير مجموعة واسعة من الأجهزة، ولا سيما أجهزة الاستشعار الرنانة عالية الأداء مثل الجيروسكوبات ومقاييس التسارع، حيث تكون التغذية الراجعة الدقيقة والمستقرة للقوة ضرورية.

UNESCO Nomenclature: 3308
- الهندسة الكهربائية

يكتب

الجهاز المادي

خلل

أساسيات

الاستخدام

استخدام واسع النطاق

مقدمات

  • قانون كولوم للقوة الكهروستاتيكية
  • the concept of the capacitor
  • semiconductor fabrication for creating precise electrode gaps
  • micromachining to create released, movable structures

التطبيقات

  • comb drive resonators in gyroscopes
  • digital micromirror devices (DMDs)
  • RF MEMS switches and varactors
  • tunable lasers and optical filters
  • atomic force microscope (AFM) scanners

براءات الاختراع:

  • US5025346A

أفكار ابتكارية محتملة

بسبب عمليات جمع البيانات من خلال برامج الروبوت، والتي تتجاوز حاليًا 40 ألفًا يوميًا، فإن هذا المحتوى مخصص لأعضاء المجتمع فقط.
> تسجيل الدخول < أو > سجل < (مجاني 100٪) للوصول إلى هذا، وكذلك جميع المحتويات والأدوات الأخرى المقيدة.

ذات صلة بـ: التشغيل الكهروستاتيكي، الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة، محرك المشط، المشغل، تأثير السحب، السعة، المشغل الدقيق، الجهد، الألواح المتوازية، الإلكترونيات الدقيقة.

السياق التاريخي

التشغيل الكهروستاتيكي لأنظمة MEMS

1990
1990
1990
1990
1991
1992
1993
1990
1990
1990
1990
1990
1992
1992
1993-07-22

(إذا كان التاريخ غير معروف أو غير ذي صلة، على سبيل المثال "ميكانيكا الموائع"، يتم توفير تقدير تقريبي لظهوره الملحوظ)

الصور بالحجم الكامل والتنزيلات متاحة فقط 100% مجاناً للأعضاء المسجلين.