توصيفگر ها :
ميكرورزوناتورها , ارتعاشات غير خطي , ميكروتيرهاي دوسر گيردار , تئوري وابسته به ابعاد , كشيدگي لايه مياني
چكيده فارسي :
چكيده
امروزه سيستمهاي ميكروالكترومكانيك كه تركيبي از سيستمهاي برقي و مكانيكي هستند در صنايع مختلف به ويژه صنايع پزشكي، خودروسازي، ارتباطات و هوافضا كاربرد گستردهاي پيدا نمودهاند. از مزاياي اين سيستمها وزن كم، قابليت توليد انبوه و هزينه ساخت پايين، مصرف انرژي ناچيز، دوام بالا و قابليت يكپارچهسازي با مدارهاي مجتمع ميباشد. از انواع سيستمهاي ميكروالكترومكانيك ميتوان به راهاندازها و سنسورها اشاره نمود كه در سيستمهاي كنترلي، مكانيكي و برقي بسيار مورد استفاده قرار ميگيرند. ميكرورزوناتورها ميتوانند به عنوان يك حسگر در اندازهگيري پارامترهاي مختلف به كارگيري شوند. اين سيستمها داراي انواع مختلفي بوده كه نوع خازني آن بيشترين كاربرد را دارا ميباشد. رزوناتور به منظور ارتعاش در يك فركانس خاص كه عموما فركانس طبيعي است، مورد استفاده قرار ميگيرد. يكي از انواع اين
سيستمها، ميكرورزوناتورهايي است به شكل يك ميكروتير دو سرگيردار همراه با جرم گواه ساخته ميشود كه به منظور ارتعاشات حول يك وضعيت مشخص، روي جرم گواه ميدان الكترواستاتيك ثابت و متناوب اعمال ميگردد. در اين پاياننامه يك مدل غيرخطي براي رفتار مكانيكي ميكرورزوناتورها با در نظر گرفتن تئوريهاي وابسته به ابعاد و تغيير شكلهاي بزرگ، ارائه ميگردد. ميكرورزوناتور از طريق روش الكترواستاتيك، تغيير شكل يافته (از طريق اعمال ولتاژ مستقيم) و به ارتعاشات (از طريق اعمال ولتاژ متناوب) واداشته مي شود و شامل ميكروپلي (ميكروتير دو سرگيردار) ميباشد كه در وسط آن جرم گواه قرار گرفته است. بر مبناي مدل ياد شده، با لحاظ نمودن تئوري كوپل تنش اصلاحي، كشيدگي لايه مياني ميكروتير و اثر ميدانهاي حاشيهاي معادلات حركت بدست آمده و اين معادلات پس از كاهش مرتبه، توسط روش گالركين به دو صورت استاتيكي و ديناميكي حل ميگردند. در مطالعه ارتعاشي سيستم از روشهاي تحليلي و عددي جهت محاسبه جابهجاييهاي ديناميكي استفاده مي شود. نتايج تحليلي (نتايج تئوري اغتشاشات) و عددي كاملا برهم منطبق ميباشند. در ادامه اثرات پارامترهاي بيبعد طراحي بر ناپايداري و ارتعاشات بررسي ميگردد. نتايج نشان ميدهد كه وجود پديده غيرخطي كشيدگي لايه مياني منجر به ايجاد جهش در پاسخ فركانسي، انحراف رزونانس غيرخطي از حالت خطي و پاسخهاي تعادلي چندتايي مي گردد. اين پديده غيرخطي در ميكروتيرهاي نازك برجستهتر بوده و در اثر جابهجاييهاي بزرگ تشديد ميشود. بنابراين مطالعه دقيق رفتار ارتعاشي سيستم بدون در نظر گرفتن اين عامل امكانپذير نميباشد. همچنين براي ميكرورزوناتورهايي كه داري ضخامتي در حدود كمتر از چند برابر پارامتر مادي مقياس طول هستند، نشان داده شده است كه در نظر گرفتن مدل غيركلاسيك وابسته به ابعاد منجر به سخت شدن مدل و كاهش قابل توجه جابهجاييهاي استاتيكي و ارتعاشي ميگردد. همچنين لحاظ نمودن مدل غيركلاسيك، فركانس طبيعي و ولتاژ ناپايداري بزرگتري را پيشبيني ميكند و پديدههاي غيرخطي ناشي از ارتعاشات غيرخطي را تعديل نموده و دامنه ارتعاشات را كاهش ميدهد. بنابراين با توجه به نتايج بدست آمده در بررسي رفتار ميكرورزوناتورها لازم است نقش تئوريهاي وابسته به ابعاد لحاظ گردد.
چكيده انگليسي :
Abstract
Microelectromechanical systems which are the combination of electrical and mechanical systems, are nowadays being used in different industries as actuators and sensors that used extensively in control, mechanical and electrical systems. Microelectromechanical systems for large-scale production capabilities and integration with electronic systems in a wide range of engineering fields including aerospace, medical, automobile manufacturing and information technology have been widely used. Useful features of these devices has led a successful technology in a number of areas of microelectromechanical systems applications, including accelerometers, pressure sensors, microoptics and so on. Important groups of microelectromechanical systems are microresonator that produced in the types of capacitive, magnetic and piezoelectric devices. In this study, a non-linear model is presented for the mechanical behavior of the microresonators considering the large deflection and size dependent theories and will be discussed the static, dynamic behavior and vibration response of microresonator which contains a microbridge with a proof mass of is in the middle. Microresonator is set up under the electrostatic field in such a way that a direct voltage find a certain equilibrium point and then under alternative voltage can be forced to vibrate at a certain frequency which is commonly equal to the natural frequency. Hence the instability and vibration analysis of the system is of most important for performance evaluation and parametric design. The electrostatic field due to the direct and alternating voltages applied to the proof mass, vibrates the microresonators. Considering the modified couple stress theory (MCST), geometric nonlinearity and electrostatic mechanism, a developed size dependent model is presented for the dynamic motion of electrostatically actuated microresonators using extended Hamilton principle. Using a model approximation i.e. Galerkin method, the governing equations of static and oscillatory motions are reduced and the resultant equation is solved by analytical (multiple scale method) and numerical methods. Analytical and numerical results are absolutely in accordance with each other. In reviewing the results, will be discussed the effects of various parameters related to system design including midplane stretching and size dependent effects. The effects of the midplane stretching of the resonator, fringing field and size effect on the instability, the natural frequency and amplitude vibration of the system are investigated. Results show that the midplane stretching and size dependent effects have significant impact on the vibration behavior and instability of the microresonators which have thickness less than six times of the material length scale parameter.