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Applying FEA to Investigate the performance of Electrostatic Comb-Drive Actuators Utilized by on-a-chip systems

This study focuses on investigating the design parameters of lateral electrostatic comb-drive actuators, where the effect of these parameters on the actuation performance is explored using finite element analysis (FEA). This level of analysis is essential to the design process of system-on-a-chip microelectromechanical systems (MEMS) applications, where a comb drive can represent the main source of actuation within the chip system. Of particular interest to this study is the application of the electrostatic comb- drive motor as a fluidic pump in on-a-chip systems used for drug delivery or in cooling of microprocessors used in space vehicles. The commercial FE package ANSYS is utilized to construct a robust comb-drive model and solve its multiphysics interaction problem using the direct coupled-field analysis. In this model, the thickness, gap and overlap of the comb fingers are varied. The design of this model is also modulated to account for changes in the number of comb fingers and the applied driving voltage. The calculated comb displacement and generated electrostatic force are shown to be directly proportional to the number of comb fingers. Moreover, the generated electrostatic force is found to be inversely proportional to the gap between the comb fingers. As the thickness of these fingers increases, the displacement is found to increase for a given value of the driving voltage. The electrostatic force is also shown to be proportional to the offset (i.e., overlap) value between the fingers. To facilitate the use of the current study results in optimizing the design process of comb drives, an effort is made in the current work to condense these results into a compact nondimensional form that correlates the geometric and electrical parameters of the studied comb drive to the resulting displacement and force.

Cette e ́tude s’inte ́resse a` l’e ́tude par la me ́thode des e ́le ́ments finis des parame`tres de design des actionneurs e ́lectrostatiques late ́raux en peigne de meˆme que l’effet des parame`tres sur les performances des actionneurs. Une telle finesse d’analyse est ne ́cessaire a` la conception de dispositifs inte ́gre ́s dans les applications de syste`mes micro-e ́lectro-me ́caniques (MEMS) car l’entraˆınement en peigne peut constituer la principale source d’actionnement dans le syste`me inte ́gre ́. L’inte ́reˆt principal de cette approche est qu’elle peut s’appliquer a` la conception de moteurs a` peignes e ́lectrostatiques pour les pompes a` fluides dans les syste`mes sur une puce inte ́gre ́s pour la distribution de doses de me ́dicaments ou pour le refroidissement de micro-processeurs dans les ve ́hicules spatiaux. Un mode`le robuste de l’entraˆınement en peigne est construit graˆce au package logiciel d’e ́le ́ments finis ANSYS et pour re ́soudre le proble`me d’interaction multi-physique graˆce a` une analyse directe de champ couple ́. Dans le mode`le, on peut modifier l’e ́paisseur, l’espacement et le chevauchement entre les dents du peigne. La conception du mode`le prend aussi en compte la variation du nombre de dents du peigne et des valeurs de la tension d’entraˆınement. Le calcul des de ́placements des dents du peigne et de la force e ́lectrostatique ge ́ne ́re ́e montre leur de ́pendance directement proportionelle au nombre de dents du peigne. De plus, la force e ́lectrostatique ge ́ne ́re ́e est pour sa part inversement proportionnelle a` l’espacement entre les dents du peigne. Pour une valeur fixe de la tension d’entraˆınement, le de ́placement augmente avec l’e ́paisseur des dents du peigne. La force e ́lectrostatique est aussi proportionnelle a` l’offset entre les dents. L’utilisation de cette e ́tude pour l’optimisation du processus de conception de syste`mes d’entraˆınement a` peigne est facilite ́e par la pre ́sentation d’une forme compacte adimensionnelle corre ́lant les parame`tres ge ́ome ́triques et e ́lectriques de l’entraˆınement a` l’e ́tude au de ́placement et a` la force re ́sultants.


Hesham Ahmed, Walied Moussa, Wael Badawy, Medhat Moussa, “Applying FEA to Investigate the performance of Electrostatic Comb-Drive Actuators Utilized by on-a-chip systems” The Canadian Journal on Electrical and Computer Engineering, Vol. 27, No. 4, October 2002, pp. 195 – 200. Abstract