Elektrostrukturanalyse eines MEMS Comb Drive Actuators

Einführung

Elektrostatische Kammantriebsaktuatoren zeichnen sich durch einfache Konstruktion, Herstellung und Implementierung aus. Sie werden für verschiedene Anwendungen wie optische Kommunikation, Biomedizintechnik, drahtlose Kommunikation und Nanotechnologie eingesetzt. Das Erhöhen des Verfahrwegs und der Kraftabgabe sind zwei Hauptprobleme bei der Entwicklung von Aktuatoren mit Kammantrieb.

Der Aktuator besteht aus zwei ineinandergreifenden Strukturen; einer ist fest und der andere ist mit einer nachgiebigen Aufhängung verbunden. Der bewegliche Teil besteht aus vier Fingern, während der feste aus fünf Fingern besteht.
Die Antriebsspannung zwischen den Kammstrukturen bewirkt die Verschiebung der beweglichen Finger zu den festen Fingern durch eine anziehende elektrostatische Kraft.

Das elektrostrukturelle EMS-Modul zielt darauf ab, die resultierende Ablenkung des sich bewegenden Fingers bei angelegter Gleichspannung zu ermitteln.
In unserer Analyse berücksichtigen wir keine anderen Kräfte als die elektrische Kraft. Schwerkraftbeschleunigung wird ignoriert.

Die Modellgeometrie

Abbildung 1 zeigt die Geometrie des analysierten Modells. Die Dicke der Vorrichtung beträgt entlang der z-Achse 2 &mgr; m.
Alle Einheiten sind in Mikrometer angegeben.

Die Geometrie des analysierten Aktuators

Abbildung 1 - Die Geometrie des analysierten Aktors

Materialeigenschaften

Die nachstehende Tabelle 1 fasst die für die Simulation erforderlichen Materialeigenschaften zusammen.

Material Name	Relative Dielektrizitätskonstante	Elektrische Leitfähigkeit (Mho/m)	Elastizitätsmodul (N/m2)	Poisson-Verhältnis
PolySilicon	4.5	Nicht benötigt	160e + 09	0,22
Luft	1	0	Nicht benötigt	Nicht benötigt

Tabelle1 - Eigenschaften der dem Modell zugewiesenen Materialien

Randbedingungen

Elektrische Randbedingung

Festspannung 1 (0V)

Der blau gefärbte Finger ist geerdet, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Pfeile zeigen die Symbole der ihm zugewiesenen Randbedingung.

Abbildung 2 - Feste Spannung am oberen Finger

Festspannung 2 (30V)

Dem beweglichen Teil des Aktors ist eine positive Spannung zugeordnet. Abbildung 3 zeigt, wo die Spannung anliegt.

Feste Spannung am unteren Finger

Abbildung 3 - Am unteren Finger anliegende feste Spannung

Strukturelle Randbedingung

Feste Randbedingung

Auf die Finger angewendete Einschränkung behoben

Abbildung 4 - Auf die Finger angewendete feste Einschränkung

Ineinander greifen

Die Modellgeometrie enthält keine sehr komplizierten Formen. Eine Maschenkontrolle zur Verfeinerung des Unterfingers würde ausreichen, um genaue elektrische und strukturelle Ergebnisse zu erhalten.
Wie in Abbildung 4 dargestellt, ist das Netz im beweglichen Teil im Vergleich zu den anderen Teilen ziemlich fein. Der Balken, der den unteren Finger mit seinem Anker verbindet, benötigt kein feines Netz.

Der obere Finger (der in Abbildung 5 blau gefärbte Körper) ist grobmaschig, da er keine Ablenkung erfährt.

Das vermaschte Modell

Abbildung 5 - Das vermaschte Modell

Simulationsergebnisse

Nach Abschluss der Simulation erstellt EMS eine Tabelle mit der resultierenden elektrischen Starrkörperkraft, die auf die Modellteile wirkt. In unserem Fall sind wir daran interessiert, die auf den unteren Finger (den beweglichen Teil des Stellantriebs) wirkende elektrische Kraft zu ermitteln.
Fig. 6 zeigt die Komponenten des auf die Platte einwirkenden Vektors der elektrischen Kraft. Die Kraft wird in Newton angegeben.

Elektrische Kraft (Ergebnistabelle)

Die analytische Formel

F e l ist gleich 1 halber Bruchteil-Zähler-Teildifferential c über Nenner-Teildifferential y Endbruchteil-Raum V Quadratraum ist gleich Bruchteil-Zähler n epsilon Index 0 Raum t über Nenner g Endbruchteil V Quadrat

C: die Kapazität des Stellglieds
V: die an den sich bewegenden Finger angelegte Spannung
n: die Anzahl der sich bewegenden Finger
t: Die Dicke des Aktuators
g: die Lücke zwischen dem oberen und unteren Finger

epsilon tiefgestellt 0

: absolute elektrische Permittivität

Korrelation zwischen EMS und dem Referenzergebnis

großes leeres tiefgestelltes Leerzeichen

	EMS Ergebnis	Simulationsergebnis
Resultierende Verschiebung unter 30V (in Metern)	4.16-08	5e-08

Tabelle 2. Vergleich zwischen EMS und den Referenzergebnissen

Reaktionskraft (Federrückstellkraft)

Resultierende Verschiebungskurve

Abbildung 6 - Die deformierte Geometrie des Aktuators

Fazit

Die elektro-strukturelle Analyse eines Kammantriebs erfolgt innerhalb von EMS. Die EMS-Ergebnisse stimmen nachweislich gut mit den numerischen (in [1] angegebenen) und analytischen Ergebnissen überein.

Verweise

[1]: S. Gupta, T Pahwa, R Narwal, B.Prasad and D. Kumar. Optimizing the Performance of MEMS Electrostatic Comb Drive actuator with different Flexure Springs.

Share on