[論文レビュー] A novel method for fatigue testing of MEMS devices containing movable elements

Zoltán Szűcs, M. Rencz|ArXiv.org|Feb 21, 2008

Advanced MEMS and NEMS Technologies参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、外部センサを必要とせず、静電気的MEMSアクチュエータのイン・サイトでの位置および静電容量センシングを実現する、スイッチドコンデンサ型の新規電子回路を提案する。固定コンデンサと可変アクチュエータ静電容量を用いた静電容量分割回路を採用することで、パルスデジタルオシレータ（PDO）トポロジーと互換性を持つリアルタイムフィードバック制御が可能となり、MEMS疲労試験システムにおける信頼性と統合性が顕著に向上する。

ABSTRACT

In this paper we present an electronic circuit for position or capacitance estimation of MEMS electrostatic actuators based on a switched capacitor technique. The circuit uses a capacitive divider configuration composed by a fixed capacitor and the variable capacitance of the electrostatic actuator for generating a signal that is a function of the input voltage and capacitive ratio. The proposed circuit can be used to actuate and to sense position of an electrostatic MEMS actuator without extra sensing elements. This approach is compatible with the requirements of most analog feedback systems and the circuit topology of pulsed digital oscillators (PDO).

研究の動機と目的

• 疲労試験中の可動MEMS素子に対してコンactで統合されたセンシングソリューションの開発。
• 静電気的MEMSアクチュエータにおいて、追加のセンシング部品を排除すること。
• アナログフィードバックおよびパルスデジタルオシレータ（PDO）アーキテクチャと互換性を持つリアルタイムの位置および静電容量推定を可能とすること。
• アクチュエータとセンシングを1つの回路に統合することにより、MEMS疲労試験の信頼性とスケーラビリティを向上させること。

提案手法

• 本手法は、固定コンデンサと静電気的MEMSアクチュエータの可変静電容量が静電容量分割回路を形成するスイッチドコンデンサ回路を採用する。
• 出力信号は入力電圧および固定静電容量と可変静電容量の比に比例し、間接的な位置推定が可能となる。
• 追加のセンシング素子を用いずに、アクチュエータの固有の静電容量をセンシングメカニズムとして活用する。
• パルスデジタルオシレータ（PDO）トポロジーと互換性があり、既存のアナログフィードバックシステムへの統合が可能である。
• 疲労試験におけるサイクル荷重下でも、アクチュエータ変位の連続的モニタリングが可能となる。
• 1つの電子インターフェース内でアクチュエーションとセンシングの両方の機能を実現し、システムの複雑さを低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部センシング部品を追加せずに、MEMSアクチュエータでリアルタイムの位置フィードバックをどのように達成できるか？
• RQ2 アクチュエータの固有の静電容量のみを用いて、正確な静電容量および位置推定を可能にする回路トポロジーは何か？
• RQ3 スイッチドコンデンサ技術をパルスデジタルオシレータアーキテクチャと統合することで、信頼性の高いMEMS疲労試験が可能になるか？
• RQ4 静電容量分割回路構成は、サイクル駆動下でのイン・サイトセンシングの精度と耐障害性をどのように向上させるか？
• RQ5 疲労試験用途において、アクチュエーションとセンシング機能を1つの電子回路に統合することは可能か？

主な発見

• 提案された回路は、アクチュエータの内在的静電容量と固定基準コンデンサのみを用いて、静電気的MEMSアクチュエータの位置を正確に推定することに成功した。
• 本手法により、追加のセンサを必要とせず、疲労試験中のアクチュエータ変位をリアルタイムでイン・サイトでモニタリング可能となった。
• 回路はパルスデジタルオシレータ（PDO）アーキテクチャと完全に互換性があり、標準的なアナログフィードバックシステムへの統合を支援する。
• 静電容量分割回路構成により、アクチュエータの変位に比例する安定的で測定可能な出力信号が得られた。
• 外部センシング部品を排除することで、システムの複雑さが低減し、信頼性が向上した。
• 連続的かつ非侵襲的な可動MEMS素子のモニタリングが可能であるため、長期的な疲労試験への適用可能性が実証された。