Analysis of dynamic model of STEC-type microactuator

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.

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.