13_Actu_mems (Конспект лекций по предмету, преподаватель Ляхова Н.Б.)

Миниатюрные электрические приводы.

Электрические приводы используют электрическое поле в качестве энергии активизации. Наибольшее разнообразие функций дает электростатический принцип.

Электростатический принцип может быть использован для реализации переключателя СВЧ – тракта спутниковых систем связи. При подаче напряжения смещения мембрана притягивается к электродам, замыкая при этом, СВЧ - тракт, и возвращается в исходное положение после отключения напряжения. В отключенном состоянии последовательная ёмкость переключателя мала, а развязка велика. (S02-03h) – Функционирование электростатического выключателя.

Рис. 3.2.3.18. Схема и принцип действия электростатического переключателя

Более компактны и меньше потребляют энергию ионно – гелевые и ионно – полимерные приводы. Электростатические приводы имеют конструкцию объемного или планарного конденсатора (М06-04).

Наиболее простой (conventional) электростатический привод имеет конструкцию планарного конденсатора. Он состоит из стационарного (fixed electrodе) электрода на подложке и подвижного электрода (консоли) в виде изогнутой струны (beam electrode), с зафиксированными торцами (помечены на рисунке черными прямоугольниками). Поданная к паре подвижного и неподвижного электродов разность потенциалов способствует их сближению. Для предотвращения соприкосновения электродов используются различные ограничители, например, изоляционные слои.

Рис.3.2.3.19. Планарный электростатический привод микрозеркала (micromirror).

К месту изгиба электрода присоединяется объект перемещения: микрозеркало, элемент передачи и т.п. В результате сближения электродов форма струны изменяется, и объект перемещается. Чем больше изогнута струна, тем меньшим напряжением она деформируется. Предотвратить контакт и короткое замыкание (КЗ) позволяет изоляционный слой на фиксированном электроде. Если в качестве объекта используется зеркало, такая конструкция может перенаправлять световой пучок в передающий тракт или на светопоглотитель, т.е. служить оптическим переключателем, выключателем.

Для получения привода большей мощности используются планарные конденсаторы встречно – гребенчатой топологии (combi drive). Привод представляет собой подвешенную (Suspended) консоль сложной формы, опирающуюся на закрепленные (Fixed) столбики (черные области рисунка). Столбики одновременно служат контактными площадками для подачи напряжения. Каждый из двух конденсаторов имеет неподвижный и подвижный электроды. У неподвижного электрода – потенциал «земли», поэтому переменное напряжение заставляет подвижный электрод в один полупериод притягиваться к неподвижному, а в другой – отталкиваться от него. В результате возникают механические колебания, достаточные для перемещения относительно больших объектов. Эта же конструкция используется и для обратного преобразования механических колебаний в электрические сигналы. (S02-03) - Работа электростатического привода на планарном конденсаторе встречно – гребенчатой топологии.

Рис. 3.2.3.20. Электростатический привод на планарных конденсаторах встречно – гребенчатой топологии.

Термический привод отражающего зеркала, изображенный на рис. 3.2.3.16, может быть заменен электростатическим приводом на основе объемного конденсатора. Добавляются контактные площадки на поверхности подложки. Быстродействие электростатического привода больше: при подаче 43 вольт осуществляется наклон зеркала на 5º за 63 микросекунды (10 милисекунд у термопривода).

Рис. 3.2.3.21. Вид сбоку электростатического привода зеркала.

На электростатическом приводе работает миниатюрный конвейер. (S02-03f) - Транспортировка 500 миллиграмового образца на конвейере.

Электростатический торсионный привод (torsional electrostatic actuator) предназначен для поворота алюминиевого зеркала (Aluminum mirror) - первого подвижного электрода объемного конденсатора (М06-04). Зеркало - это пластина с коромыслом (центральная узкая балка). Вторым электродом служит неподвижная контактная площадка на подложке, которая входит в систему адресации строки (Row addressing). При подаче управляющего напряжения пластина поворачивается в сторону контактной площадки под действием электростатических сил притяжения. Коромысло при этом изгибается. Коромысло – поворотную ось – часто называют торсионом, так как она подвергает воздействию крутящего момента. Торсион закреплен на неподвижных стойках (post), которые используются в качестве электродов адресации строки (Column addressing). Стойки нужны также, чтобы приподнять поворотную конструкцию для проведения маневра.

Рис. 3.2.3.22. Изображение и схема работы торсионного электростатического привода.

Подобный привод может использоваться для реализации вращения. Для облегчения конструкции верхняя обкладка может быть не сплошной, а решетчатой. Для увеличения мощности набирается матрица приводов. ( S02-03e) - Матрица электростатических приводов вращения.

Электростатический микродвигатель (М06-04) состоит из незафиксированного диска ротора (Т01-13) с выступающими площадками – электродами и серией контактных площадок по внешнему периметру ротора. Движение ротора инициируется последовательным подключением питающего напряжения к контактным площадкам - электродам статора. Электростатические силы притяжения заставляют выступы ротора приближаться к соответствующей контактной площадке статора, разгоняя ротор микродвигателя. Двигатель может использоваться для вращения отражающего зеркала (Mirror), обеспечивающего перемещение луча лазера в устройстве считывания штрих- кода (Bar Code).

Рис. 3.2.3.23. Схема устройства считывания штрих- кода (Bar Code).

Ионные приводы используют, помимо электронного, ионный тип проводимости (М05-03). Для дрейфа ионов используют среду в виде гели или полимера. В последнем случает так называемые редокс – полимеры позволяют реализовать радиальное движение за счет изменяющих свою форму вставок. Получается нечто вроде колена ноги. (S02-03а) – перемещение транспортного средства с помощью ионных ног.

В ионо- полимеро- металлических композициях (ИПМК) свободные катионы под действием электрического поля сдвигаются к отрицательному электроду, деформируя эластичную консоль. Используется ИПМК для толкателей, захватов.

Рис. 3.2.3.24.. Схема работы привода на ИПМК.

(S02-03c) – функционирование захвата на ИПМК. (S02-03d) - захват аккуратно переносит бумажный стакан. (S02-03b) – машущие крылья миниатюрных летательных аппаратов.