[논문 리뷰] A novel method for fatigue testing of MEMS devices containing movable elements

Zoltán Szűcs, M. Rencz|ArXiv.org|2008. 02. 21.

Advanced MEMS and NEMS Technologies참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 외부 센서가 필요 없도록 전기적 미세 기계 장치(EMEMS) 액추에이터의 현장에서 위치 및 커패시턴스 감지를 위한 새로운 스위치드 커패시터 기반 전자 회로를 제시한다. 고정 커패시터와 변동하는 액추에이터 커패시턴스로 구성된 커패시터 분압기 방식을 사용함으로써, 퉁성 디지털 오실레이터(topology)와 호환되는 실시간 피드백 제어가 가능해져 MEMS 피로 시험 시스템의 신뢰성과 통합도가 크게 향상된다.

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).

연구 동기 및 목표

• 피로 시험 중 이동 가능한 MEMS 요소를 위한 컴팩트하고 통합된 감지 솔루션을 개발하기 위해.
• 전기적 미세 기계 장치 액추에이터에 추가적인 감지 구성 요소가 필요 없도록 하기 위해.
• 아날로그 피드백 및 퉁성 디지털 오실레이터(PDO) 아키텍처와 호환되는 실시간 위치 및 커패시턴스 추정을 가능하게 하기 위해.
• 액추에이션과 감지를 하나의 회로에 통합함으로써 MEMS 피로 시험의 신뢰성과 확장성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 고정 커패시터와 전기적 미세 기계 장치 액추에이터의 변동 커패시턴스로 구성된 커패시터 분압기 형성하는 스위치드 커패시터 회로를 사용한다.
• 출력 신호는 입력 전압과 고정 커패시턴스 대 변동 커패시턴스 비율에 비례하므로 간접적인 위치 추정이 가능하다.
• 추가적인 감지 요소 없이도 액추에이터의 고유 커패시턴스를 감지 메커니즘으로 활용함으로써, 회로는 외부 센서 없이 작동한다.
• 퉁성 디지털 오실레이터(PDO) 아키텍처와 호환되어 기존 아날로그 피드백 시스템에 통합이 가능하다.
• 이 기술은 피로 시험 중 순환 하중 조건에서 액추에이터 변위를 지속적으로 모니터링할 수 있다.
• 이 접근법은 단일 전자 인터페이스 내에서 액추에이션과 감지 기능을 모두 구현함으로써 시스템 복잡도를 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 감지 구성 요소를 추가하지 않고도 MEMS 액추에이터에서 실시간 위치 피드백을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 어떤 회로 구조가 액추에이터의 고유 커패시턴스만을 사용하여 정확한 커패시턴스 및 위치 추정을 가능하게 하는가?
• RQ3 스위치드 커패시터 기법을 퉁성 디지털 오실레이터 아키텍처와 통합하여 신뢰성 있는 MEMS 피로 시험을 수행할 수 있는가?
• RQ4 커패시터 분압기 구성이 순환 작동 중 현장 내 감지의 정확성과 내구성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 피로 시험 응용 분야에서 액추에이션과 감지 기능을 하나의 전자 회로에 통합하는 것이 가능한가?

주요 결과

• 제안된 회로는 액추에이터의 내재 커패시턴스와 고정 기준 커패시터만을 사용하여 전기적 미세 기계 장치 액추에이터의 위치를 성공적으로 추정한다.
• 이 방법은 추가 센서 없이도 피로 시험 중 액추에이터 변위를 실시간으로 현장 내에서 모니터링할 수 있다.
• 이 회로는 퉁성 디지털 오실레이터(PDO) 아키텍처와 완전히 호환되며, 표준 아날로그 피드백 시스템에 통합이 가능하다.
• 커패시터 분압기 구성은 액추에이터의 변위에 비례하는 안정적이고 측정 가능한 출력 신호를 제공한다.
• 외부 감지 구성 요소를 제거함으로써 시스템 복잡도를 감소시키고 신뢰성을 향상시킨다.
• 지속적이고 침습적이지 않은 이동 가능한 MEMS 요소의 모니터링이 가능하므로 장기적인 피로 시험에 대한 실현 가능성을 입증한다.