Metoda dynamicznego polaryzowania prądu stałego w czasie rzeczywistym w celu poprawy czasu przełączania w mocno niedotłumionych elektrostatycznych siłownikach MEMS z polem obrzeżnym

Joshua Small; Adam Fruehling; Anurag Garg; Xiaoguang Liu; Dimitrios Peroulis

doi:10.3791/51251

Artykuł metodologiczny

Metoda dynamicznego polaryzowania prądu stałego w czasie rzeczywistym w celu poprawy czasu przełączania w mocno niedotłumionych elektrostatycznych siłownikach MEMS z polem obrzeżnym

9.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/51251

⸱

15 sierpnia 2014

Joshua Small¹ , Adam Fruehling² , Anurag Garg³ , Xiaoguang Liu¹ , Dimitrios Peroulis³

¹Department of Electrical and Computer Engineering, University of California, Davis, ²Digital Light Projection (DLP) Technology Development, Texas Instruments, ³Birck Nanotechnology Center and the Department of Electrical and Computer Engineering, Purdue University

W tym artykule

Podsumowanie

Solidna konstrukcja elektrostatycznych siłowników MEMS z obrzeżami pola skutkuje z natury niskimi warunkami tłumienia filmu ściskającego i długimi czasami stabilizacji podczas wykonywania operacji przełączania przy użyciu konwencjonalnego polaryzacji krokowej. Poprawa czasu przełączania w czasie rzeczywistym dzięki przebiegom dynamicznym prądu stałego skraca czas ustalania siłowników MEMS z polem obwódkowym podczas przechodzenia między stanami góra-dół i dół-dół-górę.

Streszczenie

Mechanicznie niedotłumione elektrostatyczne siłowniki MEMS z polem obwódkowym są dobrze znane ze swojej szybkiej operacji przełączania w odpowiedzi na napięcie polaryzacji wejściowej o kroku jednostkowym. Jednak kompromisem dla lepszej wydajności przełączania jest stosunkowo długi czas ustalania, aby osiągnąć każdą wysokość szczeliny w odpowiedzi na różne przyłożone napięcia. Przejściowe przebiegi polaryzacji są stosowane w celu skrócenia czasu przełączania dla elektrostatycznych siłowników MEMS z polem obrzeżnym o wysokich współczynnikach jakości mechanicznej. Usunięcie podłoża znajdującego się pod spodem siłownika pola obrzeża tworzy środowisko o niskim tłumieniu mechanicznym, niezbędne do skutecznego przetestowania koncepcji. Usunięcie podłoża znajdującego się pod spodem również znacznie poprawia niezawodność urządzenia w odniesieniu do awarii spowodowanych przetarciem. Chociaż polaryzacja dynamiczna prądu stałego jest przydatna w poprawie czasu stabilizacji, wymagane szybkości narastania dla typowych urządzeń MEMS mogą nakładać agresywne wymagania na pompy doładowujące w przypadku w pełni zintegrowanych projektów wbudowanych w układ. Ponadto mogą wystąpić wyzwania związane z integracją etapu usuwania podłoża z etapami komercyjnego przetwarzania CMOS na końcu linii. Eksperymentalna walidacja wyprodukowanych siłowników wykazała 50-krotną poprawę czasu przełączania w porównaniu z konwencjonalnymi wynikami odchylania krokowego. W porównaniu z obliczeniami teoretycznymi, wyniki eksperymentu są zgodne.

Wprowadzenie

Systemy mikroelektromechaniczne (MEMS) wykorzystują kilka mechanizmów uruchamiających do osiągnięcia mechanicznego przemieszczenia. Najpopularniejsze są termiczne, piezoelektryczne, magnetostatyczne i elektrostatyczne. W celu uzyskania krótkiego czasu przełączania, najpopularniejszą techniką jest aktywacja elektrostatyczna ^1,2. W praktyce konstrukcje mechaniczne z tłumieniem krytycznym zapewniają najlepszy kompromis między początkowym czasem narastania a czasem stabilizacji. Po zastosowaniu polaryzacji prądu stałego i uruchomieniu membrany w dół w kierunku elektrody ściągającej, czas ustalania nie jest istotnym problemem, ponieważ memb....