This thesis investigates a low-voltage serial digital actuator, generating high-precision and wide-range displacement required for digital communication devices. The present actuator, composed of serially interconnected low-voltage unit actuators, accumulates unit displacements asynchronously for a wide-range displacement.
We design, analyze, and fabricate a prototype, serially interconnecting 10 unit actuators, to achieve displacement range of 30μm using 5V signal. The unit actuator consists of two pairs of parallel electrodes with stoppers and two pairs of serpentine springs. The stoppers, defining unit displacement, are designed not to accumulate the unit displacement precisions but for the total displacement precision to depend on the last unit displacement precision. The gravity center of parallel electrodes is located in the opposite side to that of serpentine springs with respect to the anchor, thus reducing the deflection due to total actuator mass.
The designed prototype is fabricated by single mask process. In the experimental study, we find that the fabricated actuator produces a wide-range displacement of 28.44±0.02μm at the minimum operating voltage of 4.47±0.07V. The measured total displacement precision of 37.94±6.26nm shows that the actuator does not accumulate the unit displacement precision of 36.0±17.7nm. The fabricated actuator achieves the ratio of displacement range to operating voltage, 6.36μm/V, and the ratio of displacement range to precision, 749.6, showing the improvement of performance at 162.8% and 49.9%, respectively, compared to the previous work[3,4]. We experimentally verify the potential for low-voltage, wide-range, and high-precision actuators in the digital communication devices.
본 논문에서는 저전압으로 고정도 대변위를 출력하는 직렬 연결 구동기를 제안하였다. 제안된 직렬 연결 구동기는 직렬로 연결된 저전압 단위구동기들로 이루어져 있다. 단위 구동 변위들을 비동기적으로 누적함으로써, 동기적인 입력 전압에 대한 대변위의 구동 발생을 꾀하였다.
10개의 단위 구동기들을 직렬로 연결하여 5V로 30μm 구동이 가능한 시험구조물을 설계, 해석, 제작하였다. 단위 구동기는 스타퍼, 평면 전극, 그리고 설펜타인 스프링으로 이루어져 있다. 단위 변위를 결정하는 스타퍼를 이용하여 단위 구동기의 구동 변위 오차가 누적되지 않게 설계하였다. 구동기 몸체의 바깥쪽에 위치한 평면 전극들과 z-축 방향으로 높은 강성을 갖는 설펜타인 스프링을 사용하여 한 쪽만 고정된 구동기의 z-축 방향 휨 현상을 줄였다.
실험적 연구를 통하여 얻은 대변위와 이 때의 최소구동전압은 각각 28.44±0.02μm 와 4.47±0.07V 이다. 10개의 단위 구동기들을 순차적으로 작동하였을 때, 구동 변위가 단계적으로 2.8±0.5μm씩 증가하는 반면에, 구동 오차는 36.0±17.7nm로 일정하였다. 변위 대 구동전압의 비와 변위 대 정도의 비에서 각각 6.36μm/V 와 749.6 의 성능을 내며, 이는 기존 연구의 최고 값에 비해 162.8% 와 49.9% 향상된 결과이다. 이로서 본 논문에서 제안한 직렬 연결 구동기가 디지털 소자에서 작동하는 대변위 마이크로액추에이터로써 적용 가능한 것임을 실험적으로 증명하였다.
