Electrothermal actuators have many advantages compared to other actuators used in Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS). They are simple to design, easy to fabricate and provide large displacements at low voltages. Low voltages enable less stringent passivation requirements for operation in liquid. Despite these advantages, thermal actuation is typically limited to a few kHz bandwidth when using step inputs due to its intrinsic thermal time constant. However, the use of pre-shaped input signals offers a route for reducing the rise time of these actuators by orders of magnitude. We started with an electrothermally actuated cantilever having an initial 10-90% rise time of 85 μs in air and 234 μs in water for a standard open-loop step input. We experimentally characterized the linearity and frequency response of the cantilever when operated in air and water, allowing us to obtain transfer functions for the two cases. We used these transfer functions, along with functions describing desired reduced rise-time system responses, to numerically simulate the required input signals. Using these pre-shaped input signals, we improved the open-loop 10-90% rise time from 85 μs to 3 μs in air and from 234 μs to 5 μs in water, an improvement by a factor of 28 and 47, respectively. Using this simple control strategy for MEMS electrothermal actuators makes them an attractive alternative to other high speed micromechanical actuators such as piezoelectric stacks or electrostatic comb structures which are more complex to design, fabricate, or operate.

中文翻译：

---

通过优化的预成型开环驱动减少在空气和水中运行的热致动器的上升时间

与微机电系统 (MEMS) 中使用的其他致动器相比，电热致动器具有许多优点。它们设计简单，易于制造并在低电压下提供大位移。低电压使得在液体中操作的钝化要求不太严格。尽管有这些优点，但由于其固有的热时间常数，当使用阶跃输入时，热驱动通常被限制在几个 kHz 带宽内。然而，预整形输入信号的使用提供了将这些执行器的上升时间减少几个数量级的途径。我们从电热驱动悬臂开始，对于标准的开环阶跃输入，其初始 10-90% 上升时间在空气中为 85 μs，在水中为 234 μs。我们通过实验表征了悬臂在空气和水中操作时的线性度和频率响应，从而获得了两种情况下的传递函数。我们使用这些传递函数以及描述所需的缩短上升时间系统响应的函数来对所需的输入信号进行数值模拟。使用这些预先整形的输入信号，我们将开环 10-90% 的上升时间从空气中的 85 μs 提高到 3 μs，将水中的 234 μs 提高到 5 μs，分别提高了 28 和 47 倍。对 MEMS 电热执行器使用这种简单的控制策略使其成为其他高速微机械执行器的有吸引力的替代方案，例如设计、制造或操作更复杂的压电堆栈或静电梳状结构。允许我们获得两种情况的传递函数。我们使用这些传递函数以及描述所需的缩短上升时间系统响应的函数来对所需的输入信号进行数值模拟。使用这些预先整形的输入信号，我们将开环 10-90% 的上升时间从空气中的 85 μs 提高到 3 μs，将水中的 234 μs 提高到 5 μs，分别提高了 28 和 47 倍。对 MEMS 电热执行器使用这种简单的控制策略使其成为其他高速微机械执行器的有吸引力的替代方案，例如设计、制造或操作更复杂的压电堆栈或静电梳状结构。允许我们获得两种情况的传递函数。我们使用这些传递函数以及描述所需的缩短上升时间系统响应的函数来对所需的输入信号进行数值模拟。使用这些预先整形的输入信号，我们将开环 10-90% 的上升时间从空气中的 85 μs 提高到 3 μs，将水中的 234 μs 提高到 5 μs，分别提高了 28 和 47 倍。对 MEMS 电热致动器使用这种简单的控制策略使其成为其他高速微机械致动器的有吸引力的替代方案，例如设计、制造或操作更复杂的压电堆栈或静电梳状结构。以数值模拟所需的输入信号。使用这些预先整形的输入信号，我们将开环 10-90% 的上升时间从空气中的 85 μs 提高到 3 μs，将水中的 234 μs 提高到 5 μs，分别提高了 28 和 47 倍。对 MEMS 电热执行器使用这种简单的控制策略使其成为其他高速微机械执行器的有吸引力的替代方案，例如设计、制造或操作更复杂的压电堆栈或静电梳状结构。以数值模拟所需的输入信号。使用这些预先整形的输入信号，我们将开环 10-90% 的上升时间从空气中的 85 μs 提高到 3 μs，将水中的 234 μs 提高到 5 μs，分别提高了 28 和 47 倍。对 MEMS 电热执行器使用这种简单的控制策略使其成为其他高速微机械执行器的有吸引力的替代方案，例如设计、制造或操作更复杂的压电堆栈或静电梳状结构。