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Contact Interactions

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Academic year: 2022

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NATO Advanced Study Institute RESPONSIVE SYSTEMS … / MEMS Course Brussels, September 10-19, 2001

Laboratoire de Mécanique Appliquée – UMR 6604 CNRS – Université de Franche Comté Institut des Microtechniques de Franche Comté

6 Arrayed Electrostatic Actuators using

Contact Interactions

A/ Bottom-up Design Methodologies

B/Actuator Arrays on the Silicon Wafer Level

C/ High Mechanical Power Transmission using Hybridization Techniques

NATO Advanced Study Institute RESPONSIVE SYSTEMS … / MEMS CourseBrussels, September 10-19, 2001

Laboratoire de Mécanique Appliquée – UMR 6604 CNRS – Université de Franche Comté Institut des Microtechniques de Franche Comté

The Bottom-Up Design Methodology

Macroscopic machines naturally scale with humans

“B ot to m -Up ” Ap pr oac h

Micrometer Size Actuation Cells

M acr os co pic M ach in es

“T op -D ow n” A pproa ch

Investigation of microand nano World Visible Effectsup to theHuman Scale

ArrayedElementaryActuators Conventional Machining Limits

M icr om ac hine s

Silicon Processing Technology Limits 10 0m

103 m

106 m

? !

Visible Effects up to the Human Scale

Investigation of Micro World

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Laboratoire de Mécanique Appliquée – UMR 6604 CNRS – Université de Franche Comté Institut des Microtechniques de Franche Comté

Arrayed Electrostatic Actuators using Contact Interactions

Doc. LMARC / we b site: w ww.micromachines.univ-fcomte.fr - Lateral Size 2 X 3 mm² - Overal Thikness 2 microns - Nominal Driving Voltage 100 Volts - Actuation Cell Density per Unit area 250/mm² - Resulting Driving Force > 2 N Cooperative Behavior of a 1430 Actuator Array

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Driving Force Capabilities on the Silicon Wafer Level

- Distributed Electrostatic Comb- Drive Actuators - Distributed Scratch-drive Actuators

- Field interactions - Contact interactions

- Driving Force per Unit Area : 200 µN/mm

2

- Range of Displacement : Restricted

- Driving Force per Unit Area : 400,000 µN/mm

2

- Displacement : Unrestricted

- Mechanical Power per Mass Unit: Up to 1000W/gr

Doc. LMARC / web site: www.micromachines.univ-fcomte.fr

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Toward Visible Effects Up to the Human Scale

The Actuator Array shown in the red Circle Would be Able to Lift Up a 200 gr Weight! Unfortunately , the Mechanical Integrity of the Polysilicon Structure Cannot be Satisfied using Serial Connection with the Load…

Doc. LMARC / we b site: w ww.micromachines.univ-fcomte.fr Driving Force Density p er Unit Area: Up to 400,000 µN/mm

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Loss of the Actuator’s Mechanical Integrity using “Serial”

Connection with External Loads

The Actuator’s Mechanical Integrity can only be Kept using “Parallel Load / Actuator Interface” (e.g. Each Actuator Must be in Direct Contact with the External Load)

External Load

Critical Tensile Strength

1800 MPa Force Superposition

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Operating Principle of Parallel <Load / Actuator > Interfaces

Parallel Load / Actuator Connection Can be Easily Performed using Insertion of the Polysilicon Actuator Array Within the Gap of Two Macroscopic Parts in Relative Motion, Doc. LMARC / web site: www.micromachines.univ-fcomte.fr

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The Actuator Array (stator) is Se lf-R eleased from the Substrate

Stator / Rotor Self-Assembling Doc. LMARC / we b site: w ww.micromachines.univ-fcomte.fr Hybridization of Microscopic & Macroscopic Parts Without Human Handlin g

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Millimeter Size Tubular Electrostatic Motors Using Flexible Arrays of Actuators

Stator / Rotor Assembling After Insertion into the Motor Frame

Doc. LMARC / web site: www.micromachines.univ-fcomte.fr

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Toward MEMS-Based Active Control of Macroscopic Structures?

Bulk Micromachined Actuator Arrays Coated Onto Macroscopic Parts Would Open New Research Perspectives for MEMS Based Active Control of Macro – Scale Objects !

10 Microns Thick Silicon Wafer

S.M. Actuator Arrays B.M. Arrays

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