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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

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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新型大位移低驅動力之梳狀式靜電致動器設計與應用

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  1. 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

  2. MEMS 大綱 • 前言 • 實驗內容 • 量測 • 結論

  3. 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

  4. 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 %

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 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

  9. 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

  10. MEMS 量測 • 製程結果 (a) 圖9 Parylene材質之梳狀式靜電致動器SEM圖

  11. 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

  12. 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

  13. 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

  14. 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

  15. 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

  16. MEMS 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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