background image

MEMS Sensors and Actuators Laboratory (MSAL)

Electrostatic Micromotors Supported on 

Electrostatic Micromotors Supported on 

Microball Bearings

Microball Bearings

Nima Ghalichechian, Alireza Modafe, Mustafa Beyaz, Nick Ganing, and Reza Ghodssi

Dept. of Electrical and Computer Engineering, Institute for Systems Research, University of Maryland – College Park, MD 20742, USA

INTRODUCTION

SUMMARY AND FUTURE WORK

The 

dynamic characterization

of a 6-phase, bottom-drive, linear, variable-capacitance 

micromotor (B-LVCM) supported on microball bearing was presented.

The motion of the micromotor was captured using a high-speed video camera.

• Instantaneous velocity (11 mm/s), acceleration (1.9 mm/s

2

), and net force (0.19 mN) (all 

in amplitude) were measured.

The motor was modeled with a mass-dashpot-spring system and 

dashpot coefficient

was 

measured to be b=6.25×10

-4

Kg/s.

• Future  work:

Design, fabrication, and characterization of a 

rotary

variable-

capacitance micromotor supported on microball bearings.

CHARACTERIZATION

DESIGN AND FABRICATION

CHARACTERIZATION

OBJECTIVE:  

To characterize the dynamic behavior of a bottom-drive, linear, 

variable-capacitance (B-LVCM) micromotor supported on microball bearings.

Microball bearing technology in silicon provides a reliable support mechanism for the 
rotor of micromotors and microgenerators.

The primary application of the B-LVCM is long-range, high-speed, linear micro-
positioning.

Mechanical properties of roller bearing can be studied by characterization of the B-
LVCM.

B-LVCM is a platform for developing a rotary micromotor.

Time (s)

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

Di

s

p

la

c

e

m

e

n

(m

m

)

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

Time (s)

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

D

is

p

la

c

e

m

e

n

(m

m

)

8.75

8.80

8.85

8.90

8.95

9.00

9.05

9.10

Time (s)

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

D

is

p

la

c

e

m

e

n

(m

m

)

8.76

8.78

8.80

8.82

8.84

8.86

8.88

Time (s)

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

V

e

lo

c

it

y

 (

m

m

/s

)

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

Time (s)

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

A

c

c

e

le

ra

ti

o

n

 (

m

m

/S

2

)

-2000

-1000

0

1000

2000

N

e

F

o

rc

e

 (

m

N

)

Schematic 3D view of the B-LVCM.

Optical micrograph (top-view) 

of the 6-phase stator.

Optical micrograph 

(top-view) of the slider.

440C stainless 

steel

Microball material

290

Trench width, µm

284.5

Microball diameter, µm

26-34

Air gap, µm

84/36

Electrode/pole number

120/180

Electrode/pole pitch, µm

90/90

Electrode/pole width, µm

Value

Parameter

The micromotor comprises three major components: 

stator, slider, and  microballs

.

Bottom-drive

design results in increased active area 

and  increased motor force.

Six-phase design results in small force ripples.

Microball bearing

design provides a mechanical 

support for maintaining a uniform air gap.

A thick film of 

Benzocyclobutene (BCB)

low-k polymer 

(k=2.65) was used as an insulating layer to 

1.

Reduce the parasitic capacitances and increase the 
motor efficiency.

2.

Reduce wafer curvature (compared to SiO

2

) due to 

low residual stress.

The stator fabrication process comprises of three BCB 
deposition, two metal deposition steps, and a deep 
reactive ion etching (DRIE) step.

Micromotor geometry specifications.

(C) Transient Response Measurement at 635-1000 fps

Transient response of the micromotor to 120-V square pulses was measured using 
high-speed camera system.

Micromotor has a second-order step response modeled as a damped sinusoidal 
function.

Startup  of  the  micromotor  from  rest 
position captured at 1000 fps.

Position  of  the  slider,  X(t),  in  130-ms 
time window captured at 635 fps.

Local  slider  displacement,  X(t)-V

avg

×t, 

showing  damped  sinusoidal  transient 
response captured at 635 fps.

Instantaneous velocity of the slider.

Instantaneous acceleration and the net 
force of the slider.

Microballs

Electrodes

Motion

Stator

Slider

Microball Housing

Interconnect

3945 

µ

µµ

µm

BCB Island

Test pad

Trench

Interconnect

Electrodes

Trenches

Poles

1600 

µ

µµ

µm

Phase A:
V(t=0

)= 0 V

V(t=0

+

)= 120 V

Region 2: V

avg

=1.9 mm/s

Region 1: Acceleration 
from rest position

Average Velocity





+

+

=

ϕ

β

π

α

t

e

X

X

t

m

b

2

sin

2

0

Velocity 

and

acceleration

of the slider were calculated from the first and second 

derivatives of the displacement data, respectively.

Instantaneous 

net force

on the 0.1-gram slider was calculated to be 0.19 mN in 

amplitude.

The micromotor was modeled as a 

mass-dashpot-spring

system where m is the mass of 

the slider, b is the dashpot coefficient representing the friction of microballs and silicon 
housing, and k is the spring constant of the electrode-pole variable capacitance.

The differential equation describing such a system is given by

Dashpot coefficient was found to be b=6.25×10

-4

Kg/s (at V=120 V and f

e

=10 Hz).

Schematic 3D view of the rotary micromotor

X

k

b

m

Mass-dashpot-spring  model  for  the 
B-LVCM.

R

2

=0.9999

)

1

(

0

=

+

+

kx

x

b

x

m

&

&

&

AKNOWLEDEMENTS

This  research  was  funded  by  Army  Research  Office  through  MURI  Program  under  Grant  No.  ARMY-
W911NF0410176, with Dr. Tom Doligalski as the technical monitor, the Army Research Lab under Grant 
No.  CA#W911NF-05-2-0026,  and  the  National  Science  Foundation  under  Grant  No.  ECS-0224361.  The 
authors would like to thank Nitta Hass Company, Japan for providing the CMP supplies.

Advantages of the proposed design

to other rotary micromotors are:

1.

microball bearings support: reliable

2.

BCB electrical isolation: highly efficient

3.

Bottom-drive design: large active area and torque

4.

Wide variety of applications

Dynamic characterization of the 6-phase B-LVCM is performed to obtain 
instantaneous velocity, acceleration, net force, and friction coefficient from the 
displacement measurement.

(a) Test Setup

The micromotor test station comprises the 
following units

Six-channel, high-voltage actuation

Low noise, monochromic, 

high-speed video 

camera

: 1000 frames-per-second (fps)

Image processing and tracking

PC and Proanalyst

TM

Tracking Software

Record / 

Playback

High-speed 

Camera

LabVEIW

Interface

PC

Micromotor

NI-6722 DAQ

High-Voltage 

Amplifier

T

ri

g

g

er

Time (s)

0

1

2

3

4

5

6

7

D

is

p

la

c

e

m

e

n

(m

m

)

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Time (s)

0

1

2

3

4

5

6

7

D

is

p

la

c

e

m

e

n

(m

m

)

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

7.21-11.10

14.40

80

7.37±0.12

7.20

40

3.98±0.02

3.60

20

1.94±0.02

1.80

10

Measured 

average 
velocity 

(mm/s)

Predicted 

average 
velocity 

(mm/s)

Excitation 
frequency 

(Hz)

Block diagram of the micromotor test 

station.

(b) Displacement Measurement at 30 fps

Position of the slider is measured versus time.

The average velocity is measured from the slope of the graphs. 

The predicted average velocity of the slider is given by        

where W is the width of the electrode and f

e

is the frequency of

the excitation voltage.

Displacement of the slider when excited by 120V, six-phase, square pulses

Comparison of predicted and 

measured average velocity

The results show a good 

agreement

between the 

predicted 

and

measured

values for the 

average velocity for f

e

≤ 60Hz.

The slider fabrication process comprises a 
DRIE step for fabricating poles and 
trenches.

e

avg

Wf

V

2

=

f

e

=10 Hz

f

e

=20 Hz

0

:

=

+

+

kx

x

b

x

m

DE

&

&

&

Rotor

Stator trench

Microballs

Electrode

Test pad

BCB Island

( )

(

)

φ

ω +

=

t

Sin

C

e

t

x

Solution

d

t

m

b

2

: