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新型大位移低驅動力之梳狀式靜電致動器設計與應用 - PowerPoint PPT Presentation


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MEMS. 數位化模具技術論文發表會. 新型大位移低驅動力之梳狀式靜電致動器設計與應用. 報告人:陳垠余 指導教授:郭文正 博士 . 國立高雄第一科技大學 機械與自動化工程系. MEMS. 大綱. 前言 實驗內容 量測 結論. MEMS. 前言. 早期靜電致動器是由兩平行電板所組成,利用平行板電容間的靜電力來驅動,但其在位移上受到很大的限制,且位移與電壓為非線性關係,因此在控制上較為困難。 梳狀式靜電致動器的發明,有效增加其位移量,改善了位移上的缺點,所產生的位移也與輸入電壓呈現線性關係。. 圖 1 平行電容板 示意圖.

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Presentation Transcript

MEMS

數位化模具技術論文發表會

新型大位移低驅動力之梳狀式靜電致動器設計與應用

報告人:陳垠余

指導教授:郭文正 博士 

國立高雄第一科技大學 機械與自動化工程系


MEMS

大綱

  • 前言

  • 實驗內容

  • 量測

  • 結論


MEMS

前言

  • 早期靜電致動器是由兩平行電板所組成,利用平行板電容間的靜電力來驅動,但其在位移上受到很大的限制,且位移與電壓為非線性關係,因此在控制上較為困難。

  • 梳狀式靜電致動器的發明,有效增加其位移量,改善了位移上的缺點,所產生的位移也與輸入電壓呈現線性關係。

圖1 平行電容板示意圖

圖2 梳狀致動器之基本結構


MEMS

前言

  • 除了輸入的電壓之外,懸掛支撐機構之彈簧係數大小也會影響位移量的變化。現有的梳狀式靜電致動器大多以矽材質為主,若應用於大位移上,矽之較大楊氏係數便會需要更大之驅動力。因此,利用較軟之結構材質取代矽即為本研究之主要考量。

  • 本研究使用聚對二甲苯(簡稱為Parylene,其楊氏係數約為2~5 GPa)用於靜電致動器之支撐機構中。使用Parylene材質有三種優點;第一,較低之楊氏係數;第二,為一延性材料,可允許較大之彈性變形;第三,熱膨脹係數僅約為SU-8或其他polymide之30 %


MEMS

實驗內容

  • 梳狀式靜電致動器原理

    • 指電極在y方向所產生之

      靜電力:

      其中:

      為真空中之介電係數

        為施加電壓

        為電極之寬度

        為電極間之間隙

圖3 梳狀致動器之作動原理


MEMS

實驗內容

  • 梳狀式靜電致動器原理

    • y軸方向之彈簧係數(ky)

      a = Wbeam

    • 靜電致動器之位移(D)

圖4 折疊式撓性機構之梳狀式靜電致動器示意圖


MEMS

實驗內容

  • 梳狀式靜電致動器之設計

圖5 矽材質與Parylene材質之靜電致動器示意圖


MEMS

實驗內容

  • 高深寬比Parylene結構之製作

    • (a) 第一次沉積Parylene於溝槽內

    • (b) 移除頂部Parylene

    • (c) 第二次沉積Parylene於溝槽內

圖7 高深寬比Parylene結構之製作步驟


MEMS

實驗內容

  • 實驗製程步驟

圖8 結合Parylene材質之靜電致動器製程圖


MEMS

量測

  • 製程結果

(a)

圖9 Parylene材質之梳狀式靜電致動器SEM圖


MEMS

量測

  • 製程結果

(b)

(c)

圖10 Parylene材質之梳狀式靜電致動器SEM圖


MEMS

量測

  • 製程結果

(a)

(b)

圖11 Parylene材質之梳狀式靜電致動器SEM圖


MEMS

量測

  • 量測方法

圖12 位移之量測系統架構圖

圖13 共振頻率之量測系統架構圖


MEMS

量測

  • 共振頻率量測

    • 利用振動測試可得知共 振頻率,並求得靜電致動器懸掛支撐機構之彈簧係數,其公式為:

      其中:

        為共振頻率

        為靜電致動器質量

        為彈簧係數

圖14 不同振動頻率下之振幅


MEMS

量測

  • 共振頻率量測

    • 利用上式K值可求得Parylene實際楊氏係數值(約4.4 GPa),並代入公式比較其理論值與實際量測值之差異。

圖15 新型靜電致動器位移理論值與實際值


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結論

  • 成功將Parylene材質運用於梳狀式靜電致動器之懸浮支撐機構中。

  • 在輸入電壓為40 V時,Parylene材質之靜電致動器位移可達50 μm以上,而矽材質之位移則低於5 μm,証明相較於矽材質,Parylene材質之靜電致動器可用較小之驅動力達到相同的位移量,具有省能的效果。


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