توصيفگر ها :
ميكروسوئيچ , ميكرورزوناتور , تئوري هاي وابسته به ابعاد , نقص هندسي
چكيده فارسي :
چكيده
امروزه با پيشرفت فناوري، سيستم‌هاي ميكروالكترومكانيك به طور گسترده‌اي در صنايع خودروسازي، پزشكي، رباتيك، هوافضا و ارتباطات استفاده مي‌شوند. از جمله مزاياي اين سيستم‌ها مي‌توان به ابعاد كوچك، مصرف انرژي پايين و قابليت توليد انبوه آنها اشاره كرد. راه‌اندازي اين سيستم‌ها به روش‌هاي متعددي امكان‌پذير بوده، كه در اين ميان، تحريك به روش الكترواستاتيك به دليل پاسخ‌دهي سريع متداول‌تر است. اين سيستم‌ها با توجه به نوع عملكرد، انواع مختلفي دارند، كه ميكرورزوناتورها و ميكروسوئيچ‌ها دو نمونه مهم و كاربردي آنها مي‌باشند. اين سيستم‌ها از دو ميكروتير، يكي متحرك و ديگري ثابت تشكيل شده‌اند، كه با اعمال جريان الكتريكي ميكروتير متحرك به سمت الكترود زيرين منحرف مي‌شود. اگر ولتاژ اعمالي از حدي فراتر برود، بين دو ميكروتير اتصال برقرار شده و پديده ناپايداري كششي رخ مي‌دهد. در ميكرورزوناتور تحريك شده به روش الكترواستاتيك، ابتدا ميكروتير توسط ولتاژ مستقيم دچار جابه‌جايي اوليه شده و در ادامه با اعمال ولتاژ متناوب به نوسان واداشته مي‌شود. اين ارتعاشات اساس كار ميكرورزوناتورها را تشكيل مي‌دهند. حال آنكه در ساختمان ميكروسوئيچ تنها يك ولتاژ مستقيم، به منظور انحراف ميكروتير متحرك اعمال مي‌شود، تا آنجايي كه پديده ناپايداري رخ دهد. اين ناپايداري در سيستم‌هاي ميكروسوئيچ پديده‌اي مطلوب مي‌باشد. در اين پايان‌نامه به بررسي رفتار ارتعاشي ميكرورزوناتورها و تحليل ناپايداري ميكروسوئيچ‌ها پرداخته خواهد شد. در اين مطالعه ساختمان اين دو سيستم، متشكل از ميكروتير دوسرگيردار و يك‌سرگيردار ساخته شده از مواد مدرج تابعي در نظر گرفته شده است. همچنين به دليل فرايندهاي ساخت نامناسب، امكان وجود يك نقص اوليه در ميكروتير وجود دارد، كه در اين پژوهش تاثير اين پارامتر لحاظ شده است. مدلسازي اين سيستم‌ها با استفاده از تئوري‌هاي وابسته به ابعاد و نيز فرضيات تير اويلر-برنولي انجام شده است. در اين مطالعه اثر كشيدگي لايه مياني و ميدان‌هاي حاشيه‌اي نيز در نظر گرفته شده است. معادلات حركت توسط تئوري‌هاي غيركلاسيك كوپل تنش اصلاحي و نيز به كمك اصل هميلتون بدست مي‌آيد. همچنين به منظور كاهش مرتبه معادلات بدست آمده، از روش گالركين استفاده مي‌شود. در انتها به تحليل استاتيكي و ديناميكي نتايج بدست آمده، پرداخته خواهد شد. تحليل ديناميكي به كمك روش مقياس‌هاي چندگانه انجام خواهد شد و ارتعاشات غيرخطي ميكرورزوناتور مورد بررسي قرار مي‌گيرد. همچنين در تحليل استاتيكي از روش عددي مبتني بر تكرار، براي بررسي ناپايداري ميكروسوئيچ استفاده مي‌شود. نتايج نشان مي‌دهند كه، عدم توجه به نقص هندسي، خطاي قابل توجهي در محاسبات ايجاد مي‌كند. همچنين با مقايسه‌اي بين نتايج حاصل از تئوري‌هاي كلاسيك و غيركلاسيك، مشاهده مي‌شود كه سختي پيش‌بيني شده توسط تئوري‌هاي كلاسيك كمتر از مقدار واقعي بوده و لذا براي مدلسازي سيستم‌هاي ميكرو مناسب نيستند.
چكيده انگليسي :
Abstract
Today, with the improvement of technology, microelectromechanical systems are widely used in the automotive, medical, robotics, aerospace, and communications industries. The advantages of these systems include their small size, low energy consumption, and mass production capability. These systems can be operated in several ways, among which electrostatic stimulation is more common due to rapid response. These systems have different types depending on the type of operation, of which microresonators and microswitches are two important and practical examples. These systems consist of two microbeams, one movable and the other fixed, which deflect the movable microbeam to the lower electrode by applying an electric current. If the applied voltage exceeds a certain limit, a connection is established between the two microbeams and the phenomenon of pull-in instability occurs. In electrostatically actuated microresonators, the microbeam is first deflected by direct voltage and then vibrated by applying alternating voltage. These vibrations form the basis of the work of microresonators. However, in the microswitch structure, only one direct voltage is applied to deflect the moving microbeam, until the pull-in instability phenomenon occurs. This instability is a desirable phenomenon in microswitch systems. In this research, the vibrational behavior of microresonators and the instability of microswitches will be investigated. In this study, the structure of these two systems, consisting of double clamped and clamp-free microbeams made of functional graded materials, has been considered. Also, due to improper manufacturing processes, there is a possibility of an initial imperfection in the microbeam, based on which the effect of this parameter has been considered in this study. These systems have been modeled using size-dependent theories as well as Euler-Bernoulli beam theories. In this study, the effect of mid-plane stretching and fringing fields is also considered. The equations of motion are obtained by non-classic modified couple stress theory and Hamilton's principle. The Galerkin method is also used to reduce the order of the equations obtained. Finally, static and dynamic analysis of the results will be done. Dynamic analysis will be performed using the multiple scale method and also the nonlinear vibrations of the microresonator will be investigated. Static analysis also uses the numerical method to investigate microswitch instability. The results show that ignoring the geometric imperfection causes a significant error in the calculations. In addition, by comparing the results of classical and non-classical theories, it is observed that the stiffness predicted by classical theories is less than the actual value and therefore not suitable for modeling micro systems.
