Analysis of dynamic model of STEC-type microactuator

• Autorzy: Sulima R.

Warianty tytułu

PL

Analiza modelu dynamicznego aktuatora typu STEC

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents an analysis of the model of an electrostatic microactuator of comb-drive design. The analysis includes problems of strength and motion dynamics of the actuator. Calculations were performed for two designs of the moving comb electrode as well as an analysis of the drive’s behavior at different power supply conditions. Dimensions of the individual suspension component parts were chosen and the shapes of the MEMS microactuator operating parts were verified.

PL

W artykule przeprowadzono analizę dynamiczną mikroprzełącznika elektrostatycznego opartego o model STEC (Staggered Torsional Electrostatic Combdrive). Konstrukcja przełącznika przedstawiona jest na rysunku 1. Mikroprzełącznik elektrostatyczny o budowie grzebieniowej składa się z dwóch zestawów płaskich prostokątnych lub o innym kształcie elektrod (rys. 2). Jeden z zestawów jest przytwierdzony do podłoża natomiast drugi zawieszony na elastycznej beleczce spełniającej rolę sprężyny, która to pomaga ruchomemu grzebieniowi w krótkim czasie osiągnąć stan równowagi. Na rysunkach 3 i 4 przedstawione zostały elementarne składowe pojemności całkowitej układu elektrostatycznego o ruchu obrotowym. Model mechaniczny obejmuje obliczenia zginania beleczki zawieszenia pod wpływem ciężaru elektrod, skręcania beleczki pod wpływem ciężaru układu ruchomego oraz skręcania beleczki zawieszenia powstającego od momentu elektrostatycznego wytwarzanego pomiędzy płytkami grzebienia ruchomego i nieruchomego po przyłożeniu napięcia sterującego. Zależność (62) przedstawia równanie dynamiczne elektrody ruchomej, które uwzględnia kształt elektrody oraz współczynnik tłumienia wiskotycznego poruszających się w szczelinach powietrznych płytek krzemowych. Wykonano również obliczenia symulacyjne w pakiecie Simulink Matlab układu o elektrodach prostokątnych. Schemat blokowy przedstawiono na Fig. 8 natomiast wyniki obliczeń znajdują się na rysunku 9. Z obliczeń wynika, że układ taki zasilany sygnałem napięciowym o amplitudzie napięcia 40 V może skręcać się o kąt ± 10°. Przełącznik osiąga stan równowagi po czasie równym 0.3 ms.

Słowa kluczowe

EN

electrostatic microactuator; MEMS; dynamic analysis; mathematical simulation

PL

mikroprzełącznik elektrostatyczny; aktuator; MEMS; analiza dynamiczna; symulacja matematyczna

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Elektrotechniki
• Czasopismo: Prace Instytutu Elektrotechniki
• Rocznik: 2009
• Tom: Z. 240
• Strony: 241--259
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys.

Twórcy

autor

Sulima R.

• Electrotechnical Institute, Pożaryskiego 28, 04-703 Warszawa,

Bibliografia

• 1. Kazama A., Itou Y. et.al., Low-Insertion-Loss Optical Matrix Switch Using MEMS Micromirrors Assembled by Passive Alignment, JSME International Journal, Series B, Vol. 47, No. 3, 2004.
• 2. Patterson P.R., Hah D., et.al. A Scanning Micromirror With Angular Comb Drive Actuation, Fifteenth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Las Vegas, 2002
• 3. Sulima R., Modelling electrostatic microactuators used for driving scanning mirrors, Engineering Mechanics, Vol. 12, No A1, pp 301-308, 2005.
• 4. MEMS Market Research: http://www.enablingMNT.com
• 5. MEMS Market Research: http://www.nexus-mems.com/usersupplier/mindetail.asp?ID=23
• 6. Sulima R., Wiak S., Modelling of vertical electrostatic comb-drive for scanning micromirrors, COMPEL, Vol. 27 no 4, 2008, pp 780-787
• 7. Dyląg Z., Jakubowicz A., Orłoś Z.: Wytrzymałość materiałów tom 1, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne Warszawa 1996 (in Polish)
• 8. Leyko J.: Mechanika ogólna tom 2, Państwowe Wydawnictwa Naukowe, Warszawa 1978 (in Polish)
• 9. Meisel J.: Zasady elektromechanicznego przetwarzania energii , WNT Warszawa 1970. (in Polish)
• 10. J. D. Berger, Y. Zhang, et al.: Widely tunable external cavity diode laser based on a MEMS electrostatic rotary actuator, IEEE Optical Fiber Communication Conference and Exhibit, OFC 2001, Vol. 2, pp TuJ2-1-TuJ2-3
• 11. W. Piyawattanametha, P.R. Patterson, D. Hah, H. Toshiyoshi, M. C. Wu: A surface and bulk micromachined angular vertical combdrive for scanning micromirrors, IEEE Optical Fiber Communication Conference, OFC 2003, Vol. 1, pp 251-253
• 12. Xie H., Pan Y., Fedder G. K.: A CMOS-MEMS mirror with curled-hinge comb drives, Journal of Microelectromechanical Systems, vol.12, no.4, August 2003 pp. 450-457
• 13. J. H. Lee, Y. C. Ko, H. M. Jeong, B. S. Choi et al.: SOI-based fabrication processes of the scanning mirror having vertical comb fingers, Sensors and Actuators A 102, (2002), pp 11-18
• 14. Li J., Zhang Q. X., Liu A. Q.: Advanced fiber optical switches using deep RIE (DRIE) fabrication , Sensors and Actuators A 102 (2003) pp. 286-295.
• 15. Patterson P. R., Hah D., et al: A scanning micromirror with angular comb drive actuation, Oral-presented at the Fifteenth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS 2002), Las Vegas, Nevada, USA, January 20-24, 2002 pp. 544-547
• 16. Zhang J., Zhang Z., Lee Y. C., Bright V. M., Neff J.: Design and investigation of multi-level digitally positioned micromirror for open-loop controlled applications, Sensors and Actuators A 103 (2003) pp. 271-283