静电斥力致动器概述

闫思齐赵善禄

摘要：传统的静电引力驱动方式为上方可动极板在电场中受静电引力作用被下拉并与下方固定极板接触，静电斥力原理则通过静电斥力使上方可动极板远离下方固定极板，进而与另一端的信号线接触来实现开关闭合[1-3]。由于本文所说静电斥力并不是传统意义上的利用同种电荷之间相互排斥所产生的力。因此，本文将从静电斥力结构、工作原理及其可靠性对静电斥力进行分析。

关键词：致动器；静电斥力

1静电斥力结构

静电斥力基本驱动结构如图1所示，分为可动部分和固定部分，分别由上方的一个可动极板和下方三个固定极板组成，所有极板的长度、宽度、厚度的尺寸均相等，可动极板位于中间固定极板的正上方且两端固定，三个固定极板彼此等间距且互相平行分布排列。当开关需要闭合时，下方两端的固定极板接驱动电源的正极，中间固定极板和上方可动极板接地。驱动结构中所有极板材料通常使用金属金，因为金的导电性能好且易于弯曲，也就是说，可以在相同电压下可以获得更大的形变量。三个固定极板全部固定不动，可动极板的前后两端固定，其余表面可自由移动[4]。

图1静电斥力驱动结构

2静电斥力工作原理

由于本文所说的静电斥力并不是指传统意义上同种电荷相互之间产生的排斥力，而是依靠在同一轴线上相反方向的两个静电引力的合力达到静电排斥的效果，从而使可动极板弯曲并远离下方的固定极板，此合力称之为静电斥力。因此，想要理解静电斥力具体的工作原理，首先需要对静电斥力驱动结构中可动极板部分的受力情况作详细分析。施加驱动电压后，驱动结构周围产生一个左右对称但分布不均匀的电场，可动极板在水平方向和垂直方向上都受到了静电引力的作用。在水平方向上，可动极板左右的电场大小相等，方向相反，则受到的静电引力大小相等，方向相反，互相抵消，因此可动极板在水平方向上所受合力为零。在垂直方向上，可动极板上下表面所在电场的大小不相等，方向相反，上表面的电场要明显大于下表面所在的电场，也就是说，上表面受到的向上的静电引力要大于相同位置下表面受到的向下的静电引力，因此，可动极板在垂直方向上受到的合力是向上的。在这个合力的作用下，可动极板远离下方的固定极板，向上移动，最终表现出静电排斥的效果，这就是基于静电斥力驱动的基本工作原理[5]。

3静电斥力的可靠性分析

相对于传统的依靠静电引力方式进行驱动，静电斥力驱动方式可以从根本上消除电荷积累现象。本小节将通过对比静电引力驱动与静电斥力驱动两大方式，分析静电斥力驱动如何能消除电荷积累问题。

两种驱动类型在电压施加方式和具体驱动结构上都有所不同。在静电引力驱动方式中，由于上下极板直接连接驱动电源正负极，当施加驱动电压后，可动极板和固定极板间就会存在一个强电场。在传统静电引力驱动结构中，可动极板和固定极板之间的介质层厚度一般只有0.15左右，当该介质层两端被施加十几伏甚至几十伏的电压时，介质层中的强电场将高达几个，从而导致了大量的电荷被介质层中的陷阱俘获，产生电荷积累问题[48]。然而在静电斥力驱动结构中，可以看出由于接触部分中的可动极板及其下方固定极板都是直接连接电源的负极，两极板之间不存在电势差，他们之间的强电场也就不存在。当可动极板与介质层接触时，介质层上下表面没有电势差，因此内部没有漏电流通过，也就不会存在电荷积累现象的发生，介质层充电问题得到了根本性的解决，开关可靠性得到了提高。值得一提的是，由于同样属于静电驱动型，所以本文提出的静电斥力开关仍然具有静电驱动型开关的优点(如功耗低、开关电容比高、隔离度高等)。

参考文献

[1]SiyuanH,RidhaBM.Design,Modeling,andDemonstrationofaMEMSRepulsive-ForceOut-of-PlaneElectrostaticMicroActuator[J].MicroelectromechanicalSystems,2008,17(3):532-547.

[2]陶逢刚，姚军，汪为民，庄须叶，胡放荣.微加工静电斥力驱动器特性分析[J].光学工程，2011，38(12):41-47.

[3]任豪，姚军，胡放荣，邱传凯.一种新型MEMS离面驱动器的设计与分析[J].MEMS器件与技术，2009，46(8):546-556.

[4]郭兴军，李朋伟，张文栋，胡杰，李刚.基于电容式MEMS器件的静电斥力驱动研究[J].仪器仪表学报，2014，35(8):1738-1743.

[5]许成龙.用于消除RFMEMS开关介质充电的新型微驱动结构[D].太原理工大学，2014.

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