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MEMS-elektrostatische Betätigung

1990
  • William C. Tang
MEMS elektrostatischer Aktor mit Kammantrieb in der Elektrotechnik.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Die elektrostatische Betätigung ist eine primäre Verfahren zum Herbeiführen von Bewegung in MEMSEs nutzt die Anziehungskraft zwischen zwei Elektroden, die durch einen dielektrischen Spalt getrennt sind, wenn eine Spannung angelegt wird. Die Kraft ist proportional zum Quadrat der Spannung und zum Kapazitätsgradienten. Gängige Bauformen sind Plattenkondensatoren für Bewegungen senkrecht zur Ebene und Kammantriebe für große Verschiebungen in der Ebene.

Electrostatic actuation is favored in MEMS due to its low power consumption (ideally zero static power), high speed, and compatibility with standard microfabrication processes. The fundamental force [latex]F[/latex] in a parallel-plate actuator is given by [latex]F = \frac{1}{2} \frac{dC}{dx}V^2[/latex], where [latex]V[/latex] is the voltage and [latex]\frac{dC}{dx}[/latex] is the gradient of the capacitance [latex]C[/latex] with respect to displacement [latex]x[/latex]. For an ideal parallel-plate capacitor, this simplifies to [latex]F approx \frac{1}{2} \frac{\epsilon A V^2}{g^2}[/latex], where [latex]\epsilon[/latex] is the dielectric permittivity, [latex]A[/latex] is the plate area, and [latex]g[/latex] is the gap. This equation highlights a critical challenge: the force is highly non-linear with displacement. As the gap closes, the electrostatic force increases rapidly, while a typical mechanical restoring force (from a spring) increases linearly. At a certain point (typically one-third of the initial gap), the electrostatic force overwhelms the restoring force, causing the movable plate to snap unstably to the fixed plate. This phenomenon, known as ‘pull-in,’ limits the stable travel range of simple electrostatic actuators.

Um diese Einschränkung zu überwinden, wurde der Kammantriebsaktuator entwickelt. Er besteht aus zwei ineinandergreifenden, kammartigen Strukturen aus leitfähigen Fingern. Beim Anlegen einer Spannung bilden sich zwischen den Seiten der Finger elektrostatische Felder. Dadurch entsteht eine seitliche Kraft, die einen Kamm relativ zum anderen, parallel zum Substrat, bewegt. Der entscheidende Vorteil besteht darin, dass sich die Kämme beim Anlegen einer Spannung automatisch bewegen. engagierenDie Anzahl der überlappenden Fingerpaare erhöht sich, der Abstand zwischen ihnen bleibt jedoch konstant. Dadurch ändert sich die Kapazität linear mit der Auslenkung, wodurch eine Kraft erzeugt wird, die weitgehend unabhängig von der Position des beweglichen Kamms ist. Diese stabile, weitreichende Betätigung war eine revolutionäre Entwicklung und ermöglichte eine Vielzahl von Geräten, insbesondere leistungsstarke Resonanzsensoren wie Gyroskope und Beschleunigungsmesser, bei denen eine präzise und stabile Kraftrückmeldung erforderlich ist.

UNESCO Nomenclature: 3308
- Elektroingenieurwesen

Typ

Physikalisches Gerät

Störung

Grundlegendes

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Coulombsches Gesetz der elektrostatischen Kraft
  • the concept of the capacitor
  • semiconductor fabrication for creating precise electrode gaps
  • micromachining to create released, movable structures

Anwendungen

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

Patente:

  • US5025346A

Potenzielle Innovationsideen

  • haptic feedback surfaces with arrays of electrostatic actuators
  • programmable radio frequency filters using arrays of MEMS varactors
  • large-scale optical cross-connect switches for fiber Optik networks
  • miniaturized particle sorters using electrostatic fields
  • adaptive aerodynamic surfaces for micro air vehicles
  • non-contact manipulation of micro-objects using electrostatic levitation
  • high-fidelity micromirror arrays for 3d holographic displays
  • energy harvesting devices that convert mechanical vibrations into electricity via variable capacitors
  • tunable Akustik metamaterials
  • in-situ SEM/TEM manipulators with nanometer precision
Verwandt mit: elektrostatischer Betätigung, MEMS, Kammantrieb, Aktor, Anzieheffekt, Kapazität, Mikroaktor, Spannung, Parallelplatten, Mikroelektronik.

Historischer Kontext

MEMS-elektrostatische Betätigung

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1993-07-22

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

10. Jahr Jubiläum

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