• Aucun résultat trouvé

V F V The Parallel Plate Capacitor as a Simplified Representation of Electrostatic Actuators

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Partager "V F V The Parallel Plate Capacitor as a Simplified Representation of Electrostatic Actuators"

Copied!
7
0
0

Texte intégral

(1)

Brussels, September 10-19, 2001

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

5 Silicon-Based Microactuators

Brussels, September 10-19, 2001

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

5.1 IC-Compatible Microactuators using

Electrostatic Field Interactions

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

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

The Parallel Plate Capacitor as a Simplified Representation of Electrostatic Actuators

V

Fw

d

h w

x d

V

h

w

Fd

F d V

F

w

Normal Electrostatic Field Interactions Tangential Electrostatic Field Interactions F

d

>> F

w

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

Laboratoire de Mécanique Appliquée – UMR CNRS 6604 – Université de Franche Comté

Normal Electrostatic Force Acting Within Parallel Plate Capacitors

d

V

h w

Fd

k

V

k

F d

Capacitance:

d C = ε r ε 0 wh

Electrostatic Energy:

d CV whV

U r

2 2

1 2 ε ε 0 2

=

=

Electrostatic Force that Pulls the Plates Together:

0 2 2

0 2

2 1 2

1 SE

d whV d

F d U = ε r ε = ε r ε

− ∂

=

Design Assumption S = 50 x 50 µm

D = 2 µm

V = 100 Volts (p

el

= 10

-2

Mpa)

Restricted Displacement

(Pull-in Effect & Driving Voltage)

F d = 25 µN

(2)

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

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

Tangential Electrostatic Force Acting Within Parallel Plate Capacitors

V

Fw

d

w h

x

Electrostatic Energy:

d CV whV

U r

2 2

1 2 ε ε 0 2

=

=

Electrostatic Force that Pulls the Plates Together:

0 2 0 2

2 1 2

1 hdE

d hV w

F w U ε r ε ε r ε

=

∂ =

− ∂

=

Design Assumption S = 50 x 50 µm

D = 2 µm F w = 1 µN (F w << F d )

V = 100 Volts

Unrestricted Displacement (Except Comb Drive Actuators)

Electrostatic Force Remains Constant V x (Fringing Effects)

F

w

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

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

Driving Torque Reference on the Micrometer scale

L = 1 meter !

F = 1 µN Γ = 1µNm

How Shall we Solve Industrial Needs using Micrometer Size Electrostatic Actuators?

- Desperate Situation?

- Even worse taking into account structural height limitation !..

Lever

V

Fw

d

w h

x

h!

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

Side-Drive Electrostatic Actuators

(a) (b)

From [FAN 88] / Berkeley Sensor & Actuator Center

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

Side-Drive Electrostatic Actuators

Capacitance:

( ) ( )

d n S

C ϑ = ε r ε 0 ϑ

Electrostatic Energy:

( ) ( ) ( )

d V S V n

C

U r

2 2

1 2 ε ε 0 ϑ 2

ϑ

ϑ = − = −

( ) d

V hR

U n r

2

0 ϑ 2

ε ϑ = − ε

Theoretical Electrostatic Torque

0 2 2

0 2 0 2

2 1 2

2 n hRdE

d hRdV n

d hRV n

U

r r

r ε ε ε ε ε

ε

ϑ = = =

− ∂

= Γ

Where:

d E = V

From LAAS - CNRS

(3)

Brussels, September 10-19, 2001

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

Side-Drive Electrostatic Actuators: Driving Limitations

φ : 120 µm

exp

= 50 rpm << Theoretical Speed h: 1 µm; d: 4 µm Γ

elec

= 2.5 10

- 6

µNm >> External Torque V: 200 Volts P

mec

= 10

–12

Watt !

- Restricted Structural Thickness (h)

- Gap Limitation (d)

- Driving Voltage Limitation (V)

- Restricted Electrostatic Energy (E=V/d)

- Material’s Permittivity ( ε

r

) - Parasitic Friction

Brussels, September 10-19, 2001

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

Incompatibility in Size with Industrial Needs

0 6 12 18

0 50 100 150

External Diameter Φ (µm)

Driving T orque Γ (pN.m)

R.S. Müller Micromotor : Γ = 9pN.m

Γ = 1µN.m ⇒ Φ > 30,000 microns ! Γ = 1µNm φ > 30,000 microns !

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

0 500 1000 1500 2000

4 10

– 3

µNm

Structural Thickness Restricted to a few microns !

External Diameter Limit according to the Structural Height Limitation of Surface Micromachined Actuators

!

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

Laboratoire de Mécanique Appliquée – UMR CNRS 6604 – Université de Franche Comté

Driving Force Amplification on the Micrometer Scale:

Classical Approaches

Integrated Speed Reduction using “Harmonic Drive” Microactuators Comb-Drive Electrostatic Actuators

High Aspect Ratio Polysilicon Microactuators Integrated Polysilicon Gear Reductions

Top-Drive Electrostatic Microactuators

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

Laboratoire de Mécanique Appliquée – UMR CNRS 6604 – Université de Franche Comté

Top-Drive Electrostatic Actuators

(a) (b)

d R1

R0

Largeur radiale d’entrefer : w = R1–R0

From [MEH 90] / Massachusetts Institute of Technology

(4)

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

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

Top-Drive Electrostatic Actuators

Capacitance:

( ) ( ) ( ) 

 

 +

=

= 2

0 0 1

0 1 0

R R R

d R n d n S

C r ϑ ε r ε ϑ

ε ε ϑ

Theoretical Electrostatic Driving Torque:

( ) ( 2 0 2 )

1 0 2 2

4 2

1 R R

d V n

V C = r

= ∂

Γ ε ε

ϑ ϑ

( 1 0 )

0 2

2 R R

d RV

n r

= Γ ε ε

where:

( R 1 R 0 ) / 2 R = +

R

1

R

0

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

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

(a) (b)

d R1

R0

Largeur radiale d’entrefer : w = R1–R0

φ : 300 µm

exp

= 150 rpm

theo

= 120, 000 rpm!

d: 2 µm Γ

elec

= 450 10

- 6

µNm >> External Torque!

V: 200 Volts P

mec

= 5 10

–10

Watt

0 2

2

1 n ε r ε hRdE

= Γ

Torque Amplification:

h R G R 10

= ( 1 0 )

0 2

2 R R

d RV

n r

= Γ ε ε

Parasitic Friction!

Comparing Side-Drive &Top-Drive Actuators

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

Harmonic-Drive Electrostatic Actuators

(a)

(b)

(c)

(d) Stato

RotorJeu / tGapinter-

t

Cham tournan t Axe

Sens de t ti Point de

t t

Sens de t ti

Cham tournan t Gapinter-

t Point de Rotor t t Stato

Isolan t

- Integrated Speed Reduction:

r r

r N R

S

R δ

ω

ω − =

=

=

- Dual Torque Amplification:

δ r G = N 1 =

- Practical Limitation:

10 2

G

Γ

elec

= 250 10

- 6

µNm

(

*

)

From [MEH 90] / Massachusetts Institute of Technology

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

Harmonic-Drive Electrostatic Actuators

From web site: mems.colorado.edu

(5)

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

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

Harmonic-Drive Electrostatic Actuators From [HIR 95] / IIS-The University of Tokyo

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

Laboratoire de Mécanique Appliquée – UMR CNRS 6604 – Université de Franche Comté

Comb-Drive Electrostatic Actuators

Masse

electrode 1

electrode 2 y

x L w SHUFFLE ANCHOR

g/2 δ

- Driving Force per Unit Area : 100 µN/mm

2

(1µm thick) - Range of Displacement : Restricted

Brussels, September 10-19, 2001

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

Comb-Drive Rotary Electrostatic Actuators

SEM Micrograph of a Concentric Comb Structure From [TAN 89] / Berkely – University of California

Comb Suspension

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

Laboratoire de Mécanique Appliquée – UMR CNRS 6604 – Université de Franche Comté

High-Aspect Ratio Polysilicon Actuators

From [HOR 98] / Berkeley Sensor & Actuator Center

Torque Amplification:

10 2

= h

G H Out-of-Plane Bending Stiffness Increasing Allows

Machining of Millimeter Size Electrostatic Actuators

(6)

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

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

Gear Box Reductions using

Chemical/Mechanical Polishing of Polysilicon Structures

From [SNI 96] / Sandia National Laboratories

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

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

Polysilicon Microengine Incorporating Gear Reduction

From Sandia National Laboratories

(7)

Brussels, September 10-19, 2001

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

- The Way to Overcome Technological Constraints:

- Structural Height Limitations - Gap Limitations

- Lateral Size Limitations (Bottom-up)

Actuators using Electrostatic Field Interactions

Electrostatic Actuators using Contact Interactions

Références

Documents relatifs

Le comité doit donc aussi évaluer la réactivité de la Comue UBFC aux contraintes du présent, ou du futur proche (à un an pour l'essentiel). Il s’agit d’une

Faites une représentation graphique de la distance que vous avez parcourue en fonction du temps écoulé. Calculez votre nombre final de points

DESIGN GRAPHIQUE et PHOTO BOUTEILLER COMMUNICATION BESANÇON - IMPRESSION UFC -

DESIGN GRAPHIQUE et PHOTO BOUTEILLER COMMUNICATION BESANÇON - IMPRESSION UFC -

✘Ouvrez le fichier MOTO.WAV dans Audacity. Un micro posé au bord de la route a enregistré le passage d’une moto. 1) En réalisant le spectre du son enregistré lors de

Malheureusement, les déclarations du Président de la République jeudi dernier concernant une éventuelle transformation du CNRS en agence de moyens, suivies de votre

NATO Advanced Study Institute RESPONSIVE SYSTEMS … / MEMS Course Brussels, September 10-19, 2001.. Laboratoire de Mécanique Appliquée – UMR CNRS 6604 – Université de Franche

NATO Advanced Study Institute RESPONSIVE SYSTEMS … / MEMS Course Brussels, September 10-19, 2001.. Laboratoire de Mécanique Appliquée – UMR CNRS 6604 – Université de Franche