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MEMS静电驱动

1990
  • William C. Tang
电气工程中带有梳状驱动设计的 MEMS 静电致动器。.

(图片仅供参考)

静电驱动是主要的 方法 用于诱导运动 微机电系统它利用施加电压时,由介质间隙隔开的两个电极之间的吸引力。该力与电压的平方和电容梯度成正比。常见的设计包括用于平面外运动的平行板电容器和用于大平面内位移的梳状驱动器。

Electrostatic actuation is favored in 微机电系统 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.

为了克服这一局限性,人们发明了梳状驱动致动器。它由两个相互交错的梳状导电指状结构组成。施加电压时,指状结构两侧会形成静电场。这会产生一个横向力,使一个梳状结构相对于另一个梳状结构沿基板方向移动。其主要优势在于,当梳状结构…… 从事随着重叠指状电极对数量的增加,它们之间的间隙保持不变。这使得电容随位移线性变化,从而产生一个基本与可移动梳状电极位置无关的力。这种稳定、长程的驱动方式是一项革命性的突破,使其得以应用于各种器件,特别是像陀螺仪和加速度计这样需要精确稳定力反馈的高性能谐振传感器。

UNESCO Nomenclature: 3308
- 电气工程

类型

物理设备

中断

基础

用法

广泛使用

前体

  • 库仑静电力定律
  • 电容器的概念
  • 用于制造精确电极间隙的半导体制造工艺
  • 利用微加工技术制造可释放、可移动的结构

应用程序

  • 陀螺仪中的梳状驱动谐振器
  • 数字微镜器件(DMD)
  • 射频MEMS开关和变容二极管
  • 可调谐激光器和光学滤波器
  • 原子力显微镜(AFM)扫描器

专利:

  • US5025346A

潜在创新理念

  • 带有静电致动器阵列的触觉反馈表面
  • 利用MEMS变容二极管阵列的可编程射频滤波器
  • large-scale optical cross-connect switches for fiber 光学 networks
  • 利用静电场的小型化粒子分选器
  • 微型飞行器的自适应空气动力学表面
  • 利用静电悬浮技术对微物体进行非接触式操控
  • 用于3D全息显示器的高保真微镜阵列
  • 利用可变电容器将机械振动转化为电能的能量收集装置
  • tunable 声学 metamaterials
  • 具有纳米级精度的原位扫描电镜/透射电镜操纵器
相关领域:静电驱动、MEMS、梳状驱动器、致动器、吸合效应、电容、微型致动器、电压、平行板、微电子学。

历史背景

MEMS静电驱动

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1993-07-22

(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

第十年 周年纪念日

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