This thesis investigates laterally-driven electrostatic attractive- and repulsive-force microactuators whose frequency and quality-factor can be adjusted electrically. In the attractive-force microactuators, a set of a triangular tuning-comb arrays with linearly varied finger length is used for frequency tuning. Quality-factors are adjusted by the electrostatic force, reducing the damping gap between two planar microstructures. The electrostatic repulsive-force microactuators are designed to use the lateral repulsive-force induced by asymmetry of in-plane electric field. The resonanat frequency and quality-factor of the repulsive-force microactuator have been adjusted by the change of DC bias voltage.
The attractive-force and repulsive-force microactuators are fabricated by a 4-mask surface-micromachining process. Actuation and tuning forces of each microactuator are characterized by analytical and numerical simulations. The resonant frequency and quality-factor of each of microactuator are measured and compared with the theoretical values. A 3.3% reduction of the resonant frequency of the attractive-force microactuator was achieved from the initial resonant frequency of 2.42kHz for the tuning voltage increase of 20V, resulting in the equivalent stiffness modification rate of $-4.9\times10^{-5}N/m/V^2$. The resonant frequency of the repulsive-force microactuator were increased from 11.7kHz to 12.7kHz for the DC bias voltage increase of 80V from 60V, resulting in the frequency tuning sensitivity of 0.11%/V. The quality-factor of the attractive-force microactuator can be reduced at the rate of 62/V in the control voltage range of 1.75~2.25V; thereby demonstrating the maximum 50% reduction of quality factor for the electrostatic control voltage in the range of 1.75~2.25V. The measured quality-factor of the repulsive-force microactuator varies from 12 to 13 for the DC bias voltage range of 60~140V. It is concluded that the resonant frequency and quality-factor of the repulsive-force microactuators increase with the DC bias voltage, while those of the attractive-force microactuators decrease with the DC bias voltage.
본 논문에서는 공진주파수와 감쇠계수의 전기적 조정이 가능한 정전인력 및 정전반발력 수평구동형 마이크로액츄에이터를 연구하였다. 먼저 수평구동형 정전인력 마이크로액츄에이터에서는, 빗살의 길이가 선형으로 변하는 삼각형의 빗살배열을 이용하여 공진주파수 조정을 가능케 하였으며 또한 상대운동을 하는 평행평판사이의 간격을 변하게 하여 감쇠계수를 조정할 수 있게 하였다. 한편, 수평구동형 정전반발력 마이크로액츄에이터에서는, 전기장의 비대칭성에 의하여 유기되는 수평방향의 정전반반력을 이용하여 구조물의 공진주파수와 감쇠계수를 조정할 수 있음을 보였다.
이상과 같은 두 종류의 마이크로 액츄에이터의 작동여부 및 성능을 확인하기 위하여 4장의 마스크를 이용하는 박막미세가공으로 시험용 구조물을 제작하였다. 상용소프웨어 (Maxwell, Fluent)를 이용하여 마이크로 액츄에이터의 정전력 및 감쇠력을 구하여 마이크로액츄에이터의 공진주파수와 감쇠계수를 구하였고 이를 이론치와 비교하였다. 수평구동형 정전인력 마이크로액츄에이터에서는 20V의 조정전압에 대하여 공진주파수가 3.3%감소하였으며, 수평구동형 정전반발력 마이크로 액츄에이터에서는 직류바이어스 전압을 60V에서 80V 더 증가시킬 때 11.7kHz에서 12.7kHz까지 증가하였으며 주파수 조정감도는 0.11%/V이었다. 수평구동형 정전인력 마이크로엑츄에이터의 Q팩터는 1.75~2.25V의 조정전압에 대하여 62/V의 비로 감소하였으며 Q팩터를 최대 50%까지 감소시켰다. 수평구동형 정전반발력 마이크로액츄에이터의 Q팩터는 60~140V의 직류바이어스 전압에 대하여 12에서 13까지 증가하였다.
직류바이어스 전압을 증가시킬 때, 수평구동형 정전인력 마이크로 액츄에이터의 공진주파수와 Q팩터는 모두 감소하였으나 수평구동형 정전반발력 마이크로 액츄에이터의 공진주파수와 Q팩터는 모두 증가함을 실험적으로 입증하였다.
