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Elektrostrukturanalyse eines MEMS Comb Drive Actuators

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WEBINAR
Magnetostriction Modeling of Transformer's Noise
Thursday, December 16, 2021
Time
SESSION 1
SESSION 2
CET (GMT +1)
03:00 PM
08:00 PM
EST (GMT -4)
09:00 AM
02:00 PM
Gebrauchte Werkzeuge:

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.

Feste Spannung am oberen Finger

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)


Tabelle

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)

Tabelle 2


Resultierende Verschiebungskurve


Die deformierte Geometrie des Aktuators

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.