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Title: Actuation Mechanisms for In Vivo Biomedical Applications (Actuatiemechanismen voor in vivo biomedische toepassingen)
Other Titles: Actuation Mechanisms for In Vivo Biomedical Applications
Authors: Erismis, Mehmet Akif
Issue Date: 24-Aug-2009
Table of Contents: Contents
Acknowledgments i
Abstract v
Samenvatting vii
Symbols and Abbreviations ix
Contents xiii
1 Introduction 1
1.1 Large Range Microactuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.1 PPy Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 Electrochemical Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.3 Rotary Motion Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.4 Inchworm Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Electrostatic Inchworm Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 Passive Shuttle Electrostatic Inchworm Actuators . . . . 9
1.2.2 Active Shuttle Electrostatic Inchworm Actuators . . . . 13
xiii
1.3 Objectives of This Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 Thesis Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 Design and Modeling of The Low Voltage Electrostatic Inch-
worm Actuator 19
2.1 Principle of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2 Analytical Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.1 Pull-in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.2 Step Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.3 Step Size-Range versus Beam Bending . . . . . . . . . . 27
2.2.4 Step Size-Range versus Slipping . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Design Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.1 Drive Springs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.2 Latching Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.3 Support and Load Springs . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.4 Prototypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3 Fabrication 57
3.1 SCREAM Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.1.1 Original SCREAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.2 Modi ed SCREAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.1.3 SCREAM Runs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2 SOIMUMPs Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.1 SOIMUMPs Runs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4 Test Results 81
xiv
4.1 Testing Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.1.1 Digital Image Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.1.2 Control PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2 Results of A-Scream Prototypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.1 A-Scream-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.2 A-Scream-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3 Results of A-Soimumps Prototypes . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.3.1 A-Soimumps-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.3.2 A-Soimumps-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.3 A-Soimumps-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3.4 A-Soimumps-4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.3.5 A-Soimumps-5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3.6 A-Soimumps-6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4 Results of A-Probe Prototypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4.1 A-Probe-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.4.2 A-Probe-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.4.3 A-Probe-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5 Packaging 117
5.1 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2 Fabrication of Caps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.1 SOIMUMPs Caps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.2 Glass Caps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3 Encapsulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
xv
6 Conclusions 129
6.1 Thesis Objective Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.3 Suggestions for Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Appendix 135
List of Publications 141
Bibliography 143
ISBN: 978-94-6018-103-0
Publication status: published
KU Leuven publication type: TH
Appears in Collections:Electrical Engineering - miscellaneous
ESAT - MICAS, Microelectronics and Sensors
Associated Section of ESAT - INSYS, Integrated Systems

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