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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)

Electrostatic actuation is a primary 方法 for inducing motion in 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 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.

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导电梳状结构组成。施加电压后,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平行移动。其关键优势在于,随着梳状结构啮合,重叠的指状结构对数量增加,但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结构位置无关的力。这种稳定、长程的驱动方式是一项革命性的突破,它使得各种器件得以应用,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

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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)

相关发明、创新和技术原理

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