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Transmisión de peine

Transmisión de peine vibrando en el plano medida mediante microscopio holográfico digital Representación cualitativa de las líneas de campo eléctrico entre los dedos de un actua...

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Transmisión de peine vibrando en el plano medida mediante microscopio holográfico digital
Representación cualitativa de las líneas de campo eléctrico entre los dedos de un actuador de peine. Existen cuatro tipos diferentes de campos que influyen de manera distinta en la actuación, según el modelo de trabajo-energía. Las líneas de campo que conectan los lados verticales de los dedos (azul) y las que conectan los lados superiores de los dedos (rojo) se asocian con la componente de la fuerza que tiende a alinear los dedos. Las que conectan los lados superiores de un dedo con los lados verticales o los lados superiores distantes del otro (verde) tienden a desenganchar los dedos. Las líneas de campo que conectan las puntas del dedo con los lados de sus vecinos (marrón) no contribuyen a la fuerza de actuación. [ 1 ]

Los actuadores de peine son actuadores microelectromecánicos , a menudo utilizados como actuadores lineales , que emplean fuerzas electrostáticas entre dos peines conductores de electricidad. Estos actuadores suelen operar a escala micrométrica o nanométrica y generalmente se fabrican mediante micromecanizado volumétrico o superficial de un sustrato de oblea de silicio .

Las fuerzas electrostáticas de atracción se generan al aplicar un voltaje entre los peines estáticos y móviles, provocando que se acerquen. La fuerza generada por el actuador es proporcional al cambio de capacitancia entre ambos peines, aumentando con el voltaje de excitación, el número de dientes y la distancia entre ellos. Los peines están dispuestos de forma que nunca se toquen (ya que, de lo contrario, no habría diferencia de voltaje). Generalmente, los dientes se disponen de manera que puedan deslizarse uno sobre otro hasta que cada diente ocupe la ranura del peine opuesto.

Se pueden añadir resortes de recuperación , palancas y cigüeñales si se desea convertir el funcionamiento lineal del motor en rotación u otros movimientos.

La fuerza se puede obtener partiendo primero de la energía almacenada en un condensador y luego derivando en la dirección de la fuerza. La energía en un condensador viene dada por:

mi=12doV2{\displaystyle E={\frac {1}{2}}CV^{2}}

F=12∂do∂dincógnitadrivmiV2{\displaystyle F={\frac {1}{2}}{\frac {\partial C}{\partial dx_{drive}}}V^{2}}

Utilizando la capacitancia de un condensador de placas paralelas , la fuerza es:

F=−12nortetϵoϵrV2d{\displaystyle F={\frac {-1}{2}}{\frac {nt\epsilon _ {o}\epsilon _ {r}V^{2}}{d}}}

V{\displaystyle V}= potencial eléctrico aplicado, ϵr{\displaystyle \epsilon _{r}}= permitividad relativa del dieléctrico, ϵo{\displaystyle \epsilon _{o}}= permitividad del espacio libre (8,85 pF/m), norte{\displaystyle n}= número total de dedos a ambos lados de los electrodos, t{\displaystyle t}= espesor en la dirección perpendicular al plano de los electrodos, d{\displaystyle d}= espacio entre electrodos.

Estructura de los mecanismos de peine

• filas de dientes entrelazados • mitad fija • mitad parte de un conjunto móvil • aislamiento eléctrico • atracción/repulsión electrostática: voltaje de accionamiento CMOS • muchos dientes aumentan la fuerza: típicamente 10 μm de largo y fuerte

Problemas de escalabilidad

Los actuadores de peine no pueden funcionar a grandes distancias entre electrodos (o distancias de actuación), ya que el desarrollo de fuerzas efectivas a grandes distancias requeriría altos voltajes, lo que limita su funcionamiento debido a la ruptura dieléctrica . Más importante aún, las limitaciones impuestas por la distancia entre electrodos limitan la distancia de actuación.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Tsoukalas, Konstantinos; Vosoughi Lahijani, Babak; Stobbe, Søren (2020-06-05). "Impacto de las leyes de escala de transducción en los sistemas nanoelectromecánicos" . Physical Review Letters . 124 (22) 223902. arXiv : 1912.09907 . Bibcode : 2020PhRvL.124v3902T . doi : 10.1103/PhysRevLett.124.223902 . PMID 32567909. S2CID 209439614 .  
  • Legtenberg, Rob; Growenveld, AW; Elwenspoek, M (1996). "Actuadores de peine para grandes desplazamientos" . J. Micromech. Microeng . 6 (3): 320– 9. Bibcode : 1996JMiMi...6..320L . doi : 10.1088/0960-1317/6/3/004 . S2CID 250827894 .