In this paper we have proposed, fabricated and tested an electromagnetic microactuator using electroplated copper coil on the $p^+$-silicon diaphragm. The microactuator generates a vertical motion of the diaphragm using the radial component of the magnetic field on the coil plane. In order to guide and concentrate the magnetic field in the radial direction, we propose a new actuator structure with two magnets.
In a theoretical study, electromagnetic force is analyzed based on a simplified concentric coil model. Static and dynamic response of the microactuator has been estimated. On this basis, we have designed and fabricated the electromagnetic actuators.
In the experimental study, we measure dynamic response of the microactuator for the cases of single magnet and twin magnet compositions. For both cases, the microactuator shows identical values of resonant frequency and quality factor in the ranges of 10.51±0.22 kHz and 46.6±3.3, respectively. The twin magnet microactuator generates the maximum peak-to-peak amplitude of 4.4 μm for the AC rms current of 26.8 mA, showing 2.4 times larger amplitude than the single magnet microactuator. For the drive-current in the lower frequency range of 1~5 Hz, the thermal actuation of the microactuator becomes dominant over the electromagnetic actuation. The maximum peak-to-peak amplitude of the thermal actuation is measured as 7.6 μm for the 1 Hz AC rms current of 77.5 mA. The thermal actuation is diminished for the drive current at higher frequency over 10 Hz.
본 논문에서는 방사형 자기장 및 실리콘 박막위에 구리 전기도금된 평면코일을 이용한 전자기형 마이크로 액추에이터를 설계, 제작하고 성능시험을 하였다. 자석을 코일의 한쪽에 배치한 기존의 구조에서, 박막구동력이 자기장의 반경방향 성분에 비례한다는데 착안하여, 박막의 아래위로 자석을 배치하여 반경 방향의 자속밀도를 증가시킴으로써 구동력 증대를 꾀하였다.
본 액추에이터의 단순화된 코일의 구조와 자기장의 이론적 해석을 통해 구동전자기력을 유추하였고, 이를 바탕으로 치수설계를 수행하였으며, 이론적 정적변위와 측정된 특성인자 (Quality factor)를 근거로하여 공진점에서의 동적변위를 예측하였다. 마이크로 액추에이터는 4.06 mm × 4.06 mm × 3.1μm 크기의 박막위에, 폭 20 μm, 높이 28.8 μm, 간격 30 μm 로 10회 감겨진 코일을 전기도금으로 제작하였다.
성능시험을 통하여 측정한 공진주파수와 특성인자의 값은 아래쪽에 자석을 하나만 부착하였을 경우, 각각 10.51±0.06 kHz 와 45.9±2.1, 그리고 아래위로 자석을 부착하였을 경우에는 각각 10.51±0.22 kHz 와 46.6±3.3 으로 상호 공통적인 특성을 확인하였다. 동적변위는 두개의 자석을 부착하고 26.8 mA의 실효치 교류전류를 흘렸을 때 4.4 μm 로 측정되었으며 이는 한 개의 자석을 부착했을 때보다 2.4 배 정도 큰 변위를 나타냄을 실험적으로 확인하였다. 또한 5 Hz 이하의 낮은 저주파 구동에서는 전자기구동과 함께 열구동이 나타남을 관찰하였다. 제작된 액추에이터에 77.5mA의 실효치 교류전류를 1Hz의 가진주파수로 흘렸을 때, 7.6μm의 열구동 변위가 측정되었으며, 10 Hz이상에서는 관찰되지 않았다. 본 연구에서 개발된 전자기형 마이크로 액추에이터는 저온, 저전류, 저전압 구동 특성을 나타내고 있으며, 유체에 의한 부가질량효과의 고려와 함께 의료용 마이크로펌프에 응용할 수 있다.
