Гребневый привод

Вибрация привода гребня в плоскости, измеренная цифровым голографическим микроскопом

Качественное изображение линий электрического поля между пальцами привода гребенчатого привода. Существует четыре различных типа полей, которые оказывают различное влияние на приведение в действие в картине работы-энергии приведения в действие. Линии поля, которые соединяют вертикальные стороны пальцев (синие), и те, которые соединяют верхние стороны пальцев (красные), связаны с компонентом силы, которая стремится выровнять пальцы. Те, которые соединяют верхние стороны одного пальца с вертикальными сторонами или удаленными верхними сторонами другого (зеленые), стремятся разъединить пальцы. Линии поля, которые соединяют кончики пальца со сторонами его соседей (коричневые), не вносят вклад в силу приведения в действие. ^[1]

Гребневые приводы — это микроэлектромеханические приводы , часто используемые в качестве линейных приводов , которые используют электростатические силы, действующие между двумя электропроводящими гребнями. Гребневые приводы обычно работают в микро- или нанометровом масштабе и обычно изготавливаются методом объемной микрообработки или поверхностной микрообработки кремниевой пластины- подложки.

Притягивающие электростатические силы создаются, когда между статическими и движущимися гребнями подается напряжение , заставляя их притягиваться друг к другу. Сила, развиваемая приводом, пропорциональна изменению емкости между двумя гребнями, увеличиваясь с напряжением привода, количеством зубцов гребня и зазором между зубцами. Гребни расположены так, что они никогда не соприкасаются (потому что тогда не будет разницы напряжений). Обычно зубцы расположены так, что они могут скользить мимо друг друга, пока каждый зуб не займет щель в противоположном гребне.

Если линейное движение двигателя необходимо преобразовать во вращение или другие движения, можно добавить восстановительные пружины , рычаги и коленчатые валы .

Силу можно получить, если сначала взять энергию, запасенную в конденсаторе, а затем дифференцировать по направлению силы. Энергия в конденсаторе определяется по формуле:

${\displaystyle E={\frac {1}{2}}CV^{2}}$

${\displaystyle F={\frac {1}{2}}{\frac {\partial C}{\partial dx_{drive}}}V^{2}}$

Используя емкость плоского конденсатора , сила равна:

${\displaystyle F={\frac {-1}{2}}{\frac {nt\epsilon _{o}\epsilon _{r}V^{2}}{d}}}$

${\displaystyle V}$= приложенный электрический потенциал, = относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, = диэлектрическая проницаемость свободного пространства (8,85 пФ/м), = общее количество пальцев по обе стороны электродов, = толщина в направлении вне плоскости электродов, = зазор между электродами. ${\displaystyle \epsilon _{r}}$ ${\displaystyle \epsilon _{o}}$
${\displaystyle n}$ ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle d}$

Структура гребневых приводов

• ряды сцепленных зубцов • наполовину неподвижны • наполовину часть подвижной сборки • электрически изолированы • электростатическое притяжение/отталкивание – управляющее напряжение КМОП • много зубцов увеличивают силу – обычно 10 мкм в длину и прочные

Проблемы масштабирования

Гребенчатые приводы не могут масштабироваться до больших расстояний зазоров (эквивалентно расстоянию срабатывания), поскольку для развития эффективных сил на больших расстояниях зазоров потребуются высокие напряжения, поэтому они ограничены электрическим пробоем . Что еще более важно, ограничения, накладываемые расстоянием зазора, ограничивают расстояние срабатывания.

Смотрите также

• Электростатический двигатель
• Межпальцевый преобразователь
• Микроэлектромеханические системы

Ссылки

1. Цукалас, Константинос; Восуги Лахиджани, Бабак; Стоббе, Сёрен (2020-06-05). «Влияние законов масштабирования трансдукции на наноэлектромеханические системы». Physical Review Letters . 124 (22): 223902. arXiv : 1912.09907 . Bibcode : 2020PhRvL.124v3902T. doi : 10.1103/PhysRevLett.124.223902. PMID  32567909. S2CID  209439614.

• Легтенберг, Роб; Гроуэнвельд, А. В.; Элвенспук, М. (1996). «Приводы гребенчатого привода для больших перемещений». J. Micromech. Microeng . 6 (3): 320–9. Bibcode : 1996JMiMi...6..320L. doi : 10.1088/0960-1317/6/3/004. S2CID  250827894.