فعال سازهاي الکتروستاتيک ميکرومکانيکي با رنج حرکتي مبسوط

فعال سازهاي الکتروستاتيک ميکرومکانيکي با رنج حرکتي مبسوط

خلاصه:

طرحي کاربردي نشان مي دهد که فعال ساز الکتروستاتيک ميکرومکانيکي مي تواند حرکت کند آنسوي تجارت در محدودۀ فعال سازهاي متعارف که تا بحال وجود داشته اند.

فعال سازها يک سري مخازن استفاده مي کنند براي توسعه دادن فاصله الکتريکي موثر، وسيله براي اينکه پايداري فيدبک منفي را فراهم کنند منابع پارازيتي که رنج تحريک را محدود مي کند شناخته شده اند و اثرات شان کيفيتش را معلوم مي کند. دو تا خازن foldedطراحي شده که پارازيت را کم کند و درست هستند براي ايفا کردن در MUMPS ، معرفي شدند اثر شارژ باقيمانده را آناليز کرده اند و فعال ساز الکتروستاتيک خطي آن اثرهاي پيشنهادي را اخراج مي کند. حرکت مبسوط در وسايل ساختگي بدست ميآيد ولي سرانجام با ناپايداري محدود مي شود با اين حال نتيجه طراحيها کوچکتر است از وسائلي که بر مبناي ديگر تکنولوژيهاي حرکتي مبسوط ساخته مي شود آنها را جذاب مي سازد براي کاربردهائيکه احتياج factors - highfill .[133]

راهنماي اصطلاحات – فعال ساز الکترومکانيکي حرکت مبسوط – پارازيتي، folded capacitor در نوسان بودن - پايداري – شارژ باقيمانده.

I.ديدگاه

فعال سازهاي الکتروستاتيکمکانيکي بطور خاص يک رنج گردشي محدود بين تا فاصله نخستين دارند. يک راه با مکانيسم گسترش دادن رنج گردشي، توجيحا وسعت فاصله نخستين کامل، به شدت پسنديده است مخصوصا براي کاربردهاي بصري. مانند اين راه يک دستگاه بصري رنج تنظيم پذير افزايش خواهد داد مانند ليزر تنظيم شده ميکرومکانيکي.]1[

اين روش بعلاوه فراهم خواهد کنترل آنالوگ پيوسته ي يک قرار دهنده را در عوض حالت on-offمحدود، آن اجتناب مي کند از نوسان در آستانه ناپايداري.

چندين راه پيشنهاد شده است که رنج قابل استفاده فعال سازهاي الکتروستاتيک را گسترش مي دهد، شامل کنترل ولتاژ حلقه بسته، ]2 [سريعهاي ظرفيت فيدبک ]5 [- ]3[ و"خميدگي قدرت". ]6[

خميدگي قدرت ساده ترين راه از سه راه موجود است. لازمه آن نيروي الکتروستاتيک بکار برده باشد ميان تکيه گاه ( لنگر بطور نوعي ) و بخش موج آن بايد کج شده باشد. امتياز مکانيکي و مکان دستگاه افزايش يافته مبادله شده هستند براي حرکت رنج زياد شده.

کنترل کننده حلقه بسته خيلي پيچيده تر از دقيق requiring والمان قابل حرکت موقعيت ديده باني سريع است و مدارات کنترل فيدبک براي ثابت شدن سيستم در رژيم ناپايدار.

دستگاه هاي غير ساختگي اثبات شده است در تاريخ روش توان سريهاي فيدبک معرفي شده بوسيله seeger et al. کار يک خازن در سريهاي با فعال ساز الکتروستاتيک گسترش دادن فاصله برقي موثر فعال ساز است. آن راه، که المان قابل حرکت مي تواند به بالا حرکت کند به يک سوم فاصله موثر جديد. که هست بزرگ تر از فاصله نخستين کامل فعال ساز واقعي است. مفهوم ساده است و برآيند دستگاه به هم پيوسته است- بزرگتر از دستگاه مجتمع نيست- اما پيامدهاي طراحي تجربي غفلت شده در[5] – [3] توجه لازم دارد.

در اين مقاله پيامدهاي طراحي واقع بيني پيچيده در طراحي يک فاصله کامل قرار دهنده معرفي شده هستند در امتداد اندازه دستگاههاي ساخته شده و آناليز کارکردشان.

بعد از معرفي تئوري عملکرد وسيله، اثر مخازن پارازيتها را محدود مي کند که آسان است براي ساختن در MUMPS . و اشغال نمي کند فضاي مردۀ زيادي را نسبت به وسايل معرفي شده اولين اندازه اي که فعال ساز الکتروستاتيک يک مي کند خازنهاي سري را که وجود دارد.

فعال ساز مي تواند حرکت کند در آن سوي محدوده معرفي شده ولي سرانجام محدود مي شود به وسيله نوسانات پايدار اين پايداري بيشتر آناليز مي شود نشان داده شده با حالت پتانسيل اساسي محدود شده در اجرا کردن.

II. خازن هاي سري فيدبک است.

شکل 1 شماتيک معرفي شده فعال ساز ميکرومکانيکي که الکتروستاتيکي فعال مي کند. الکترود متحرک حرکت مي کند تحت ولتاژ کنترل شده تا فاصله اوليه. اگر فعال شد آنسوي آستانه الکترود متحرک شکسته مي شود به پائين الکترود اگر هدف رسيدن به رنج حرکت g₀ باشد آنگاه فاصله اوليه مي تواند زياد شود تا g₀

همانطوريکه نشان داده شده در شکل (b) 1 براي داشتن منطقه پايداردرg₀. اين طراحي خيلي رضايتبخش نيست براي اينکه يک فاصله بزرگ را که ساختن آن سخت است احتياج دارد. اين شکل داراي دو خازن بطور سري، دو تا فاصله g₀اضافي مي تواند جايگزين شود با مقدار معادل خازنهاي نشان داده شده در شکل (c)1 شکل ميدان الکتريکي نگهداري شده از اين دو صفحه متحرک مي تواند تمام فاصله پايدار g₀ را بپيمايد. ولتاژ مورد نياز براي فعال سازي صفحه متحرک زياد مي شود با خازن سري اضافي براي اينکه اثر اوليه کلي فاصله الکتريکي سه بار بزرگتر است از اصلي پس از فعال شدن مقياس ولتاژ تا توان فاصله ولتاژ افزايش پيدا مي کند با حداقل پنج عامل روش کاهش اين ولتاژها استفاده از خازنهاي MOSکه آماده شده اند در [3] – [5] پس از اينکه فاصله اضافي بايد حداقل دو برابر فاصله اصلي براي پايداري حرکتي باشد. معادل خازنهاي سري بايد کمتر از يک و نيم .

ظرفيت نخستين فعال ساز واقعي C₀ . اين عقيده ساده است. اما گردن کشي براي ادامه دادن به سادگي در صورت غير انديشه گرايي است.

فعال ساز واقعي و سريهاي خازن شکل مي گيرند از يک مدار تقسيم کننده ولتاژ. مانند الکترود قابل حرکت نزديک مي شوند به الکترود ثابت و فعال ساز توان افزايش مي يابد، بديسان کاهش شکاف V₀ ولتاژ بکار برده شده مجموع V_a ، به سرتاسر فعال ساز تحميل شده است. مطابق آن:

که C₀ هست ظرفيت متغير فعال ساز واقعي و C₁ هست سريهاي توان.

هنگامي که الکترود قابل حرکت مي رود بعد از فاصله نخستين، سريع افزايش مي يابد در توان فراهم مي کند فيدبک منفي لازم براي ثابت شدن فعال ساز بنابراين آن مي تواند بپيمايد فاصله کامل بطور مداوم . بطور نخستينV₀افزايش مي يابد با V_a، با سرعت افزايش کاهش مانند C₀ افزايش مي يابد نشان داده شده بوسيله (1). بعد از فاصله نخستين، که V₀ مساوي است با V_piواقعي، V₀ عملا شروع مي کند به کاهش يافتن از وقتي که C₀افزايش مي يابد به سرعت در اين ناحيه، بنابراين فراهم مي کند فيدبک منفي. مانند صفحه فلزي قابل حرکت که نزديک مي شوند به صفحه ثابت، C₀ مي رود به سمت بي نهايت و V₀ نزديک به صفر مي شود. نيروي الکتروستاتيک متناسب با عکس مربع فاصله است که همچنين نزديک به صفر مي شود. در همه زمانها نيروهاي مکانيکي و الکتروستاتيکي موازنه شده هستند و سيستم استوار است.

III.ظرفيت هاي پارازيتي

A.نقشه اوليه از پارازيتي

سطح مقطع موثر يک نمونه الکتروستاتيکي وسيله فعال شده در MUMPS نشان داده شده در شکل (a) 2. C₀ و C₁ ظرفيت ذاتي يا مطلوب هستند جائيکه CP₁، CP₂و CP₃ پارازيتي هستند. CP₂وCP₃ نمونه بزرگي هستند براي اينکه لايه دي الکتريک بصورت الکتريکي نازک است منوط به اينکه خواه لايه( بيس ) Floating Left يا زمين شده باشند.

خازنهاي پارازيتي مي توانند با هر يک از دو تا C₀ و C₁ موازي شوند.

نقشه شکل 1 (c) مي تواند بفهماند مدارهاي شکل (b )2 که شامل خازنهاي پازاريتي مي شود. اينجا C₁شامل مي شود پارازيتهاي گذشته که موازي شده اند با ظرفيتهاي سري مطلوب C₃ مهم نيست در رفتارهاي ايستا پس از اينکه مستقيم رانده شد بوسيله منابع ولتاژ اما آن بطور ديناميک اثر خواهد کرد مبين اين بحث رفتار ايستاي فعال ساز در حال حاضر خازن فيدبک سري و خازنهاي پارازيتي که مي توانند الان استنتاج شوند.

جائيکه g₀ رنج حرکتي مطلوب است .u جابجائي است. n وm ثابت هاي مثبت ولتاژ سرتاسر C₀ تعيين مي شود بامقسم ولتاژ ظرفيتي در شکل (b)2 مجموع نيروهاي الکتريسيته ساکن و مکانيکي نيروي تعادل کلي را مي دهد روي الکترود متحرک

مشتق گيري اين عبارت با نسبت يو معرفي مي کند نقطه را که تعادل

eguilibrium solution becomes unstuble give

ماکزيمم تغيير مکان استوار الکترود قابل حرکت که تابعي از m وnاست. با حد m ( هيچ خازن پارازيتي نيست در موازي با C₀ )

بااشاره به آن که n بايد بزرگتراز 2 براي فاصله گردش کامل )g₀ u_max) باشد که قبلا مورد ملاحظه قرار گرفته. n ( بطور نهايت سريهاي کوچک خازن براي ماکزيمم فيدبک و پايداري)

با اشاره به آن که C₂ نبايد بزرگتر از باشد اگر فاصله گردش کامل دست يافته است. بنابراين قرار دهنده الکتروستاتيک بايد ظرفيت ها و پارازيت هاي خوب کنترل شده داشته باشد.

B. پارازيت ها براي دگرديسي

ديگر منبع پارازيت ها از موج بهم ريخته ناشي مي شود. در D-2 . هنگامي که موج در شکل 2 بهم ريخته مي شود قسمت مرکز تغيير مکان بزرگترين است در حاليکه نزديک up-step حمايت مي کند به شدت حرکت درهمه جهت را. اينD-2

تغيير مکان غير يک شکل ماهرانه است اما منبع مهم ظرفيت پارازيتي موازي با دستگاه اصل است. D-2 موج خازن مي تواند نمونه سازي شده باشد از جمع 2 تا ظرفيت هاي D-1 – يک خازن متغيير موازي با خازن ثابت مانند شکل نشان داده شده در شکل 3. ظرفيت مجموع مي تواند بيان شده بصورت:

جايي که C₀و C₂ يک المان را نشان مي دهند همان طور که شکل (b) نشان داده شد. وqقسمت صحيح کسر که بوسيله u افزايش مي يابد. جابجايي مرکزي افزايش مي يابد. قسمت بيشتر مقدار q. مهمترين اثر پارازيتي خازن ها ثابت مي باشد.

شکل (a)4 خازن هـــاي يک دست شـده مصنــوعي D- severalz بــــا طول

400 بصورت الکتروستاتيک اشعه الکترون را فعال مي سازد. اين تزويج الکترومکانيکي شبيه سازي هاي نشان داده مي شوند در MATLAB اشعه الکتــــرون

2 بالاي صفحه زمين آويخته مي شوند ابعاد اسمي وسيله MUMPS- ضريب يانگ Pa 140 است جايي که فشار باقيمانده متراکم مي شود. ظرفيت هاي D-2 به ظرفيت هاي ايده آل D-1 خازن هاي صفحه موازي نرماليزه مي شود که فاصله آن برابر است با فاصله بين مرکز وسيله D-2 اشعه الکترون و صفحه زمين. همان طور که نشان داده شده ظرفيت هاي وسيله هاي D-2 فقط کسري ازوسيله هاي D-1 مي باشد و مرکز اشعه الکترون نزديک مي شود به صفحه زمين. اگر طول الکترود ثابت بالا تحت اشعه الکترون D-2 کاهش يابد ( بعنوان در صدي از طول اشعه الکترون ) وسيله D-2 نزديک مي شود- رفتار وسيله D-1 بخاطر اين که فشار آن بسيار شبيه و بسيار محدود در مرکزي باشد. شکل (a)4

q از منحني جابجايي ظرفيت هاي محاسبه مي شود استفاده مي شود و رسم مي شود در شکل (b) 4 بعنوان تابع مرکزي جابجايي. u پارامتريک مي شود با طول کوتاهترين الکترود بالايي رفتارش شبيه D-1 مي شود. از اين دو ارزشq کمترين مقدار مي شود. q با افزايش جابجايي افزايش پيدا مي کند براي اين که کم شدن تقويت فاصله و کمبود صافي باعث تغيير شکل اشعه مي شود.

با توجه به (2) نسبت ظرفيت متغيير به ظرفيت ثابت هست . مساوي قرار دادن اين با همين نسبت از m را با متغيير q مي دهد.

طرح در شکل b4 ماکزيمم q اجازه داده شده براي رنج حرکت خواسته شده راهي دهد و u. تغيير مکان در تقاطع اين خط با منحني هاي u-q قبلي نشان مي دهد ماکزيمم travel ثابت دست يافتني. بعد از آن، q خيلي بزرگ است و پارازيت خيلي بزرگ براي پاياسازي موثر است. اين وانمود مي کند که نيروي مستقر مکانيکي استفاده شده در (4) هنوز خطي است با تغيير مکاني که نيست درست در زندگي واقعي ناشي از اثر stress – stiffening .

stress – stiffeningغير خطي واقعا افزايش مي دهد رنج travelپايدار را و تاکنون بدون ثبات خازني در حدود فاصله نخستين تا حالت خطي است. بنابراين همه دستگاه هاي D-2 نشان داده شده در شکل 4 پايدار هستند در حدود 1 تغيير مکان. بعد از آن فيدبک خازني مي تواند تثبيت کند دستگاه را تا افزايش تغيير مکان سبب مي شود q افزايش کند تا حد نشان داده شده بوسيله خط نقطه چين. براي مثال و براي دستگاهي با يک الکترود تحتاني که 30 درصد طول الکترود فوقاني است. فيدبک خازني اجازه خواهد داد travel پايدار تا 1.8 ميکرومتر يا 90 درصد 2 ميکرومتر فاصله بالا بيايد. اين مطابق (7) در دست مي گيرد - يک سري فيدبک خازن کوچک بي نهايت- يک خازن بزرگتر رنج گردشي پايدار را کم مي کند. پارازيت هاي ناشي از گرديسي غير يک شکل پايه ها تاکنون شديدتر از موج ثابت – ثابت است. بطور واضح رفتار شديد D-2 بايد اجتناب شده باشد.

IV. شارژ رسوبي

شارژ رسوبي مي تواند انباشته شود در دستگاههاي بکار افتاده بطور الکتروستاتيک شامل برآمدگي هاي ايزوله شده با برق از قبيل برآمدگي ميان فعال ساز اصلي و سريهاي خازن. (شکل b2) اين چنين شارژ، ناشي از شارژ کردن در دي الکتريک ها براي مثال انتقال مي دهد نيروهاي الکتروستاتيک بوسيله ولتاژ افست که مقايسه مي شود براساس مقدار شارژ. اين باعث مي شود که جابجايي قرار دهنده به حرکت در بياورند بعد از زماني که اگل شارژ انباشته شود.

خوصيات نوسان با علامت تغيير مي کند از اندازه اي به اندازه ديگر اگر اشعه بالايي يا بخش عمده آن وصل مي شود به الکترود زيرين. سوييچ امپدانس بالا که مي تواند ولتاژ گره غوطه ور را راست کند از زماني به زمان ديگر بسيار مطلوب است.

اگر شارژ به صفحه ضربه بزند آن آزاد است که در ميدان الکتريکي حرکت کند. اثر آن بسيار مورد بحث است. يکي ممکن است که شکل مي تواند تشکيل شده باشد از رساناهاي غوطه ور متحرک قبل از شارژ. مانند يک ورق الکتريکي مندرج بين ولتاژ و صفحات رانده شده. فشار الکتريسيته ساکن بر رساناهاي غوطه ور هست .

چگالي شار ايده آل رساناي شناور هست.V_a هست ولتاژ اضافي بين صفحات d₁هست فاصله از صفحه اول تا رساناي شناور. d ₂ هست فاصله صفحه هم تا رساناي شناور گذردهي gapو u جابجايي مي باشد. نيروي الکتريسيته ساکن ( نيروي الکتروستاتيک ) با ولتاژ جابجايي خطي است. تا زماني که معکوي مرجع رفتار مطابق قرار داد موجود نباشد اثر ناگهاني pull-in نخواهيم داشت. و نوسان هميشه پايدار خواهد بود. و براي پايداري و خطي بودن نوسان الکتروستاتيک به صورت بالقوه پذيرفته مي شود. نتيجه طراحي اصلي غير قابل عبور بودن قبل از شارژ براي گره هاي شناور و سپس جداسازي نگهداري الکتريکي مي باشد.

اثر ظرفيت هاي پارازيتي خطي بودن و نرخ پايداري در حال حرکت است اين طراحي بصورت عملي و MUMPS ممکن است اما بصورت ( silicon on Isulator ) پايه SOI و پردازش هاي مکانيکي بدست مي آيد.

ساختن يک دستگاه مستقر روي يک اجراي درست فعال ساز با سري فيدبک خازن نشان داده شده در شکل a5 لازم خواهد داشت يک دي الکتريک فاصله انداز زمانهاي زيادي ضخامت فاصله گردشي براي نگهداري کردن نسبت مناسب. اين دستگاه نمي تواند درک شده باشد در MUMPS . شکل خواسته شده شکل d5 است که سريهاي خازن به موازات فعال ساز اصلي است نه بصورت انباشته شده در بخش تحتاني آن.

سريهاي خازن وصل شده است به فعال ساز بوسيله ظرفيت هاي قابل تغيير. شکل b5 وc تصور مي کند دگرگوني رساناي نخستين انباشته ( شکل a5 ) داخل معادل طرح دو لايه مناسب تر براي سطح ميکرومکانيک. اولا رسانا / الکترود شناور منبسط شده است مانند نشان داده شده در شکل b5. بنابراين آن عناصر حرکتي و سريهاي خازن سرانجام مي تواند پهلو به پهلو گذاشته شود. وضع ميدان الکتريکي نگهداري شده است بالاي الکترود شناور ايجاد folded capacitor . وضعيت شکل c5. بوسيله انجام آن بنابراين، فعال ساز اصلي حالا در کنار سريهاي خازن است بنابراين فقط دو لايه رسانا در عوض سه لايه اصلي انباشته تا زمان نگهداري پايين ظرفيت هاي پارازيتي. قسمت به کار افتاده بايد حالا گذاشته شود روي نوک تا آزاد شده شود براي حرکت. براي رسيدن به وضعيت آخر اتصالات الکتريکي نگهداري شده هستند تا زماني که عناصر مکانيکي روي پهلوي چپ عوض شده هستند. وضعيت نيروي الکترستاتيک روي الکترود قابل حرکت درشکل d5 کاملا يکسان است با طرح نخستين شکل a5 ، هيچ پارازيت اضافي معرفي شده نبودند و اين وضعيت دو لايه رسانا مي تواند ترجمه شده شود مستقيما داخل يک طرح MUMPS .

برش دو طرح ساخته شده در MUMPS نشان داده شده در شکل a6 و b . طرح عناصر ضروري طبقه بندي شده است مانند شکل d5 . برشها دقيقا مشابه شماتيک D-1 ساده شکل d5 هستند. با اين تفاوت مهم که دستگاه فيزيکي واقعي ظرفيت هايي روي هر پهلوي بخش عمده دارند براي کمک به نگهداري موازنه و تقارن.

Symmetry (تناسب) . وسيله اي که تشکيل شده است از قطعه مرکزي محکم اسمي ساخته شده در POLY1 آويخته شده با ظرفيت يکي از POLY1 يا POLY2 . اين طراحي که خيلي متفاوت نيستند از نوسان سازهايي قراردادي نشان داده شد در شکل (a) 2 بجز براي اضافه شدن دي الکتريک جدا کننده تحت ظرفيت وسيله ثابت. فاصله بين POLY1 و POLY0راه باريکي است کاهش پيدا مي کند با گردي حک شده همان طور که در شکل (a)6 نمايش داده شده . براي افزايش c و از اين رو سست مي کند محدوديت هايي روي بدست آوردن نسبت ظرفيت بالاي مطلوب . خازن هاي سري کوچک و c₀ براي طراحي در پردازش MUMPS خيلي سخت هستند بخاطر اين که دي الکتريک ها بصورت الکتريکي ضخيم هستند در طراحي شکل (a)6 خازن هاي سري شکل داده شده با لايه POLY0 . تحت مهارو لايه سيليکن و در تگنا قرار دادن Nitride . ظرفيت نوسان سازو C₀بين قطعه مرکزي POLY1 و لايه POLY0 بطور مستقيم زير آن است. حدود شکل داده شده در POLY1 نظرات شما عزیزان: