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MEMS静電アクチュエーション

1990
  • William C. Tang
MEMS静電アクチュエータ、電気工学における櫛形駆動設計。.

(画像はイメージです)

静電アクチュエーションは主要なものである。 方法 の動きを誘発する。 MEMSこれは、電圧を印加した際に誘電体ギャップで隔てられた2つの電極間に生じる引力を利用するものです。この力は電圧の2乗と静電容量勾配に比例します。一般的な設計としては、面外方向の動きには平行平板コンデンサ、面内方向の大きな変位には櫛形駆動装置などがあります。

静電アクチュエータは、消費電力が低く(理想的には静電力がゼロ)、高速で、標準的な微細加工プロセスとの互換性が高いため、MEMS で好んで使用されています。平行平板アクチュエータにおける基本力[latex]F[/latex]は、[latex]F = \frac{1}{2} で与えられます。\ここで、[latex]V[/latex]は電圧、[latex]frac{dC}{dx}[/latex]は変位[latex]x[/latex]に対する静電容量[latex]C[/latex]の勾配である。理想的な平行平板コンデンサでは、これは[latex]F約ℊℊℊℊと単純化されます。\ここで、[latex]は誘電率、[latex]A[/latex]はプレート面積、[latex]g[/latex]はギャップです。この式は、力が変位に対して非常に非線形であるという重要な課題を浮き彫りにしています。ギャップが閉じると、静電気力は急激に増加しますが、典型的な機械的復元力(バネによる)は直線的に増加します。ある時点(通常、初期ギャップの3分の1)で、静電気力が復元力を上回り、可動プレートが固定プレートに対して不安定にスナップする。プルイン」として知られるこの現象は、単純な静電アクチュエータの安定した移動範囲を制限します。.

この制約を克服するために、コーム駆動アクチュエータが発明されました。これは、導電性フィンガーが櫛状に互いに噛み合った2つの構造から構成されています。電圧を印加すると、フィンガーの両側に静電場が形成されます。これにより、一方のコームを他方のコームに対して基板と平行に動かす横方向の力が発生します。重要な利点は、コームが噛み合うにつれて重なり合うフィンガーのペアの数が増える一方で、フィンガー間のギャップは一定に保たれることです。これにより、変位に比例して変化する静電容量が得られ、可動コームの位置にほとんど依存しない力が発生します。この安定した長距離駆動は画期的な開発であり、特に高精度で安定した力フィードバックが求められるジャイロスコープや加速度計などの高性能共振センサーをはじめとする幅広いデバイスへの応用を可能にしました。

UNESCO Nomenclature: 3308
電気工学

タイプ

物理デバイス

混乱

基礎

使用法

広く普及している

前駆物質

  • クーロンの静電気力の法則
  • コンデンサの概念
  • 精密な電極ギャップを形成するための半導体製造
  • マイクロマシニングにより、解放された可動構造を作成する

アプリケーション

  • ジャイロスコープにおける櫛形駆動共振器
  • デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)
  • RF MEMSスイッチおよびバラクタ
  • 波長可変レーザーと光学フィルター
  • 原子間力顕微鏡(AFM)スキャナー

特許:

  • US5025346A

潜在的なイノベーションのアイデア

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歴史的背景

MEMS静電アクチュエーション

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1993-07-22

(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

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