Электростатические актюаторы

  Для плоского конденсатора накопленная энергия U может быть рассчитана по формуле 1, где C-ёмкость и V-напряжение между обкладками конденсатора.

Формула 1.

Формула 2.

Перпендикулярное движение	Боковое движение
С сердечником из диэлектрика	С сердечником из проводника

Следует отметить, что в этом случае можно сгенерировать только силы взаимодействия. Для генерации больших сил, которые будут совершать полезную работу такого устройства, необходимо, чтобы при изменении расстояния сильно изменялись ёмкости. Это и есть руководство к действию для получения электростатических гребневых микродвигателей (рис 5 a, b).

a).    b).
рис 5.

  Гребневые микродвигатели. Они особенно распространены среди устройств, полученных поверхностной микрообработкой. Они состоят из большого количества встречностержневых штырей (рис 5). Прилагая напряжение, у нас появляется сила взаимодействия между штырями, и они начинают двигаться. Увеличение ёмкости пропорционально количеству штырей, таким образом, для генерации больших сил, требуется большое количество штырей. Одной из потенциальных проблем такого устройства будет то, что если поперечное расстояние между штырями не одинаково с обеих сторон, (или если устройство поломано), то возможно движение штырей под прямым углом к правильному направлению и соединение их друг с другом до выключения напряжения (при самом плохом раскладе они останутся соединёнными и после снятия напряжения). Для примера можно привести расчёт параметров гребневого микродвигателя, представленного на рис 6. и изготовленного по технологии MUMPs (многопользовательская МЭМС технология).

рис 6.

Исходные данные: a=120 μм: b=112 μм: c=12 μм: d=30 μм: e=24 μм: f=2.0 μм g=30 μм X=20 μм W=3.5 μм z=2.0 μм t=4.0 μм Epoly=140 ГПА (модуль Юнга) ρpoly=2.3 г/см3 (плотность) Nz=20

1.Масса образца: M=ρW(2bc+2ce+cd+20tg)=48,49 нг
2.Жёсткость пружины: K=8×=4.56 Н/м
3.Частотная характеристика:ω_n==306498 рад/с, f_n=48,78 кГц
4.Затухание:b==1.486e^-7Нс/м, принимаем Q=100
5.Максимальная сила:F_x,C==1.55μН, принимаем V=100В
6.Максимальное смещение:F_x,C==F_k=K∆x=>∆x==0.34μм

7.Прочность балки на продольный изгиб:P_изгиб=2×4P_крит==1.79мН

8.Энергия входа:W_вх==1.05×10^-12Дж/такт

9.Энергия выхода:W_вых==0.53×10^-12Н·м/такт

10.Коэффициент полезного действия: η==50,47%

  Двигатели качения, названые так по действию раскачивания, положенному в основу их принципа работы. На рис 7(a,b) показана конструкция двигателя качения, полученного при помощи технологии поверхностной микрообработки. Ротор - это круглый диск. Во время работы снизу расположенные электроды последовательно, друг за другом, включают и выключают. Диск последовательно притягивается к каждому электроду; край диска контактирует с диэлектриком, расположенным над электродами. В такой манере он медленно вращается по кругу; делая один оборот вокруг своей оси совокупностью нескольких изменений напряжения на статоре.

рис 7.

Другая конструкция двигателя качения представлена на рис 8. Ротор, находящийся внутри статора, формирует ось двигателя. Электрическое поле раскачивает ротор внутри статора, и трение вращает ротор.

рис 8.

Проблемы могут возникнуть: если быстро износится изоляция на электродах статора; если произойдёт сцепление (или слипание) с ротором; если ротор и подшипник не круглые, что обычно бывает из-за того, что большинство пакетов автоматизированного проектирования рисуют не круг, а многоугольник с большим количеством сторон, то в этом случае ротор может застопориться даже во время своего первого оборота.
    Проблема моторов полученных поверхностной микрообработкой - это их очень маленькие вертикальные размеры, поэтому так трудно достичь большого изменения ёмкости при движении ротора. Для преодоления этих проблем можно использовать LIGA технологию. Мотор, изготовленный по этой технологии, показан на рисунке 7(c,d) - здесь цилиндрический ротор вращается вокруг статора.
Итоги:
1).Преимущества
- выгодность пропорционального уменьшения размеров
- лёгкость миниатюризации
2).Недостатки
- для большинства электростатических актюаторов частицы пыли и поверхностные дефекты могут быть причиной поломки вследствие малых воздушных зазоров
- высокое напряжение
- для двигателей вращения малый вращающий момент и короткий срок жизнедеятельности из-за трения.

Раздел Электростатические микроактюаторы составлен с использованием учебных материалов Д. Бэнкса,Ф-Г. Ценга и М. Каспера [1,2,3], а также статей [6,9].