Levitation Micro-Systems: Applications to Sensors and Actuators

By Kirill Poletkin

Book Overview

1 Introduction to levitation micro-systems 7

1.1 Levitation micro-systems. Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2 Electric levitation micro-systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3 Magnetic levitation micro-systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.4 Diamagnetic levitation micro-systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.5 Superconducting levitation micro-systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.6 Inductive levitation micro-systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.7 Hybrid levitation micro-systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.8 Future Trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2 Micro-fabrication techniques 17

2.1 Planar coil technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2 3D micro-coil technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3 Analytical modelling 21

3.1 Analytical mechanics of micro-electro-mechanical-systems . . . . . . . . . . . . . . 22

3.2 Statement of the problem for modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3 Stability of inductive levitation systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.4 Modelling of IL-micro-systems based on symmetric designs . . . . . . . . . . . . . 34

4 Quasi-finite element modelling 39

4.1 Statement of problem for modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.2 Procedure for the analysis of IL-micro-systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.3 Calculation of the mutual inductance of circular filaments . . . . . . . . . . . . . . 44

4.3.1 The Kalantarov-Zeitlin method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.3.2 Derivation of Formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5 Inductive levitation micro-systems 53

5.1 Micro-bearings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.1.1 Design and fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.1.2 Measurement of stiffness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.1.3 Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5.1.4 Coil impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.1.5 Levitation height . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.1.6 Lateral Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

5.1.7 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.2 Micro-bearings with lowest energy consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.2.1 Experimental results and further discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6 Hybrid levitation micro-systems 77

6.1 Micro-actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

6.1.1 Design and micro-machined fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

6.1.2 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

6.1.3 Eddy current simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

6.1.4 Analytical model of static linear pull-in actuation . . . . . . . . . . . . . . . 86

6.1.5 Quasi-FEM of static linear pull-in actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

6.1.6 Preliminary analysis of developed models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

6.1.7 Comparison with experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

• Format: Hardcover
• Language: English
• ISBN: 3030589072
• ISBN13: 9783030589073
• Release Date: November 2020
• Publisher: Springer
• Length: 174 Pages
• Weight: 0.97 lbs.
• Dimensions: 0.5" x 6.1" x 9.2"