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研究生： 黃國瑋
Kuo-Wei Huang
論文名稱： 串聯電極順序驅動之大位移梳狀靜電致動器之控制
Control of Comb-Drive Actuators with Serial Comb Electrodes to Expand Traveling Range
指導教授： 陳榮順
Rong-Shun Chen
侯帝光
Ti-Kuang Hou
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年： 2005
畢業學年度： 93
語文別： 中文
論文頁數： 64
中文關鍵詞： 微機電 、梳狀致動器 、大位移 、數位控制
外文關鍵詞： MEMS, Comb Drive Actuator, Large Displacement, Digital Control
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    • 在微機電領域裡，靜電致動已廣為使用，其中又以梳狀致動器廣受歡迎，其具有容易製造、驅動電壓小、振動頻率高與輸入/輸出呈線性等優點。梳狀致動器與別的元件整合容易，應用範圍相當廣泛，如XY平台、共振器、力平衡式加速規、微小測試系統等。然而由於製程誤差所導致之不準確性，使得梳狀致動器在製作過程中無法做出完全對稱的電極，隨著行進距離之增加，電極間相互重疊之面積也增加，造成垂直於運動方向之靜電力日益增大，最後導致致動電極相互接觸，進而無法有效提升側向之行進距離。
    本論文利用串聯電極結構配合電壓切換控制，達成順序驅動之目的，延後梳狀電極側吸現象之發生，以期能延長行進距離。此外，為能掌握梳狀電極之相對位移量，以達成位置回授控制，本文設計一電容感測電路搭配感測電極結構作為感測器，將所擷取之訊號透過類比/數位轉換傳送給控制器，作為位置回授控制訊號，以判別致動電壓切換時機來確保及增進其性能。最後使用個人電腦，利用Matlab Simulink建立人機介面及控制器程式以實現整個系統。

    第一章 緒論 1.1 研究背景與動機 1.2 文獻回顧 1.3 本文大綱 第二章 系統架構與元件分析 2.1 系統架構 2.2 串聯式梳狀致動器元件架構 2.2.1 梳狀致動器最大位移量分析 2.2.2 致動器元件結構改良 2.3 電容感測電路架構 2.3.1 感測電路基本原理 2.3.2 感測電路基本架構 2.4 結論 第三章 光罩設計與製程結果 3.1 光罩設計 3.2 結構製程與結果 3.2.1 串聯致動結構製作流程 3.2.2 製程結果 3.3 結論 第四章 模擬與實驗結果 4.1 致動器元件結構共振組態 4.1.1 致動器元件結構共振組態模擬 4.1.2 致動器元件結構共振頻率量測 4.2 致動器元件彈簧常數分析 4.3 串聯電極梳狀致動器位移量分析與實驗 4.3.1 第一組致動電極最大位移量分析與實驗 4.3.2 串聯致動電極最大位移量實驗 4.4 電容感測電路量測結果 4.5 串聯電極梳狀致動結構之控制 4.5.1 串聯電極梳狀致動結構阻尼分析 4.5.2 串聯電極梳狀致動結構控制器與控制介面設計 4.6 結論 第五章 結論 5.1 本文貢獻 5.2 未來研究與建議 參考文獻 圖目錄 圖1.1 平行電容版致動器示意圖 2 圖1.2 梳狀致動器結構示意圖 3 圖1.3 梳狀致動器結構等效示意圖 4 圖1.4 改良式梳狀結構[10] 5 圖1.5 傾斜式摺疊彈簧梳狀致動器 6 圖1.6 傾斜式折疊彈簧(d=20µm) 對位移量特性曲線[12] 7 圖1.7 補償電極位移量比較 [13] 7 圖1.8 彈簧Hybrid spring model設計方式[14] 8 圖2.1 串聯式梳狀致動器之元件結構 11 圖2.2 (A)並聯式(B)串聯式致動電極 12 圖2.3 系統架構圖 13 圖2.4 梳狀致動器電極簡化圖 15 圖2.5 平形式折疊彈簧最大位移量理論值 17 圖2.6 串聯電極致動方式示意圖 19 圖2.7 串聯電極致動器最大位移量理論分析 20 圖2.8 第二組致動電極初始重疊長度與最大位移量關係圖 21 圖2.9 ConvertorWare Simulation Result (a) 0V (b) 200V 22 圖2.10 ConvertorWare Simulation Result (a) 400V (b) 460V 22 圖2.11 ConvertorWare Simulation Result (a) 480V (b) 520V 23 圖2.12 ConvertorWare Simulation Result and Theory 23 圖2.13 電容感測電路圖………………………………………………25 圖2.14 三角波輸出訊號 26 圖2.15 電流-電壓轉換電路輸出訊號(電容變化1 p~5 p) 27 圖2.16 整流電路輸出(Test Capacitance:100fF) 27 圖3.1 串聯式梳狀致動器光罩圖面 29 圖3.2 串聯式梳狀致動器光罩圖面放大圖 30 圖3.3 製程流程圖 31 圖3.4 串聯致動結構SEM圖1 32 圖3.5 串聯致動結構SEM圖2 32 圖3.6 致動電極SEM圖(a)第一組致動電極(b)第二組致動電極 33 圖3.7 (a)感測電極 (b)致動器彈簧 33 圖4.1 串聯式梳狀致動器第一模態振動圖(彈簧模擬寬度6 μm) 36 圖4.2 串聯式梳狀致動器第二模態振動圖(彈簧模擬寬度6 μm) 36 圖4.3 串聯式梳狀致動器第三模態振動圖(彈簧模擬寬度6 μm) 37 圖4.4 串聯式梳狀致動器第一模態振動圖(彈簧模擬寬度 4.58μm) 37 圖4.5 LDV實驗架設圖 39 圖4.6 LDV結構共振頻率分析 39 圖4.7 致動彈簧常數ANSYS分析( ) 41 圖4.8 致動結構彈簧常數 與位移量之關係 41 圖4.9 第一組串聯致動電極側吸前(Apply Voltage=56V) 42 圖4.10 第一組串聯致動電極側吸後(Apply Voltage=57V) 43 圖4.11 第一組串聯致動電極電壓-位移量關係圖 43 圖4.12 第一組串聯致動電極電壓平方-位移量量測結果 44 圖4.13 實驗架設圖 45 圖4.14 第二組致動電極最大位移量 45 圖4.15 電壓-位移量關係圖(第二組致動電極起始距離25 μm) 46 圖4.16 電壓-位移量關係圖(第二組致動電極起始距離20 μm) 46 圖4.17 電容感測電路 47 圖4.18 電流-電壓轉換電路之輸出波形(Test Capacitance= 2pF) 48 圖4.19 電流-電壓轉換電路之輸出波形(Test Capacitance= 3pF) 48 圖4.20 電容感測電路量測結果 49 圖4.21 電流-電壓轉換電路之輸出波形(Driving Voltage=0V) 49 圖4.22 電容感測電路元件量測結果 50 圖4.23 控制系統方塊圖 52 圖4.24 Open-loop D(s)*G(s) 之波德圖 53 圖4.25 Closed-loop T(s)之步階響應 53 圖4.26 L(s)與L’ (s)之波德圖 54 圖4.27 Closed-loop T(z)之步階響應 55 圖4.28 串聯電極梳狀致動結構控制介面 56 圖4.29 電容感測電路輸出訊號(第一組電極驅動) 56 圖4.30 電容感測電路輸出訊號(串聯電極驅動) 57 圖4.31 梳狀致動結構控制器…………………………………………58 圖4.32 (a)Control Signal Value (b)System Response 59 表目錄 表2.1 第二組電極初始重疊長度變化關係表 21 表4.1 串聯式梳狀致動器共振模態表(彈簧模擬寬度6 μm) 35 表4.2 串聯式梳狀致動器共振模態表(彈簧模擬寬度 4.58 μm) 38 表4.3 串聯式梳狀致動器共振模態總表(彈簧模擬寬度4.58 μm) 40 表4.4 串聯式梳狀致動器彈簧常數 平均值 40

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