توصيفگر ها :
ميكروسوئيچ ها , نظريه كوپل تنش اصلاحي , انحناي بزرگ , ميدان هاي حاشيه اي , ناپايداري كششي
چكيده فارسي :
چكيده
سيستم‌هاي ميكروالكترومكانيكMEMS ، سازه¬هاي الكترونيكي مكانيكي در ابعاد ميكرو هستند. با توجه به مزاياي زيادي كه اين سيستم¬ها دارند استفاده از آن¬ها بسيار مورد توجه قرار گرفته است. از جمله مزاياي اين سيستم¬ها مي¬توان به كوچك بودن، وزن كم و مصرف انرژي پايين آن¬ها اشاره كرد. روش¬هاي مختلفي براي راه¬اندازي اين سيستم¬ها وجود دارد كه روش الكترواستاتيك باتوجه به ساده بودن و پاسخ سريع بيش از ساير روش¬ها مورد استفاده قرار مي¬گيرد. يكي از ابزارهاي پركاربردي كه بر پايه سيستم¬هاي ميكروالكترومكانيك كار مي¬كنند ميكروسوئيچ¬ها مي-باشند. معمولا اساس كار ميكروسوئيچ¬ها ناپايداري و برقراري تماس بين الكترودها به منظور قطع و وصل جريان مي-باشد. در اين پايان نامه يك مدل جديد براي شبيه¬سازي استاتيكي و ديناميكي حركت و ناپايداري ميكروسوئيچ¬ها ارائه مي¬گردد. اين سيستم داراي يك جرم گواه در انتهايش بوده و تحت ميدان الكترواستاتيك راه¬اندازي مي¬شود. بر مبناي تئوري¬هاي وابسته به ابعاد و انحناي بزرگ براي تيرها مدلسازي انجام و معادلات حركت با استفاده از اصل هميلتون و فرضيات تير اويلر-برنولي استخراج مي¬گردد. با توجه به اين كه ميكروسوئيچ¬ها در محدوده ناپايداري كار مي¬كنند از تئوري جابجايي¬هاي بزرگ در مدلسازي استفاده شده و اثرات ميدان¬هاي حاشيه¬اي و تئوري غيركلاسيك كوپل تنش اصلاحي در مدلسازي و تعيين معادلات حركت در نظر گرفته مي¬شود. معادلات مربوطه به دو صورت استاتيكي و ديناميكي مورد مطالعه قرار گرفته و ناپايداري¬هاي مربوطه بررسي مي¬گردد. معادلات ديناميكي از طريق روش گالركين كاهش يافته و با استفاده از روش تحليلي مقياس¬هاي چندگانه حل شده و با نتايج روش¬هاي عددي صحه گذاري مي¬گردد. در بررسي¬هاي نتايج، ناپايداري¬هاي استاتيكي و ديناميكي مورد بررسي قرار گرفته و نقش تئوري¬هاي غيركلاسيك و غيرخطي در بهبود نتايج استاتيكي، ديناميكي و ناپايداري مورد سنجش قرار مي¬گيرد. نتايج نشان مي¬دهد كه براي انحناهاي بزرگ، داده¬هاي خطي نمي¬توانند ناپايداري سازه را پيش¬بيني نمايند. همچنين مشاهده شده است كه لحاظ نمودن نظريه كوپل تنش اصلاحي در ابعاد كوچك، منجر به كاهش شديد جابجايي¬ها و افزايش چشمگير ولتاژ ناپايداري مي¬گردد. از اين رو نمي¬توان از تئوري¬هاي كلاسيك جهت شبيه¬سازي مكانيكي ميكروسوئيچ¬هايي كه داراي ضخامتي در حدود پارامتر مقياس طولي ماده مي¬باشند، بهره برد.
چكيده انگليسي :
Abstract:
Microelectromechanical systems (MEMS) are used in many fields of industry like automotive, aerospace and medical instruments. Among the various ways to operate the MEMS devices, the electrostatic actuator is the common mechanism, due to simplicity and fast response. Previous experiments have shown that the mechanical behavior of devices, which their sizes are in order of micron and submicron, are dependent to dimesions of micro-scale structures. They also have illustrated that by decreasing the dimension of structures, the size dependent effect is highlighted. In this case, the classical theories are not capable to predict the size dependent effects and mechanical behavior of the microstructures properly. Therefore, nonclassical theories such as modified couple stress and strain gradient theories have been introduced. It was shown that the modified couple stress theory can accurately predict the size dependent behavior of microstructures. There are some influences observed in the MEMS, that they have notable effects on the mechanical behavior of microswitches, such as fringing fields and large deflection. When the air gap is larger than the electrode’s width of microswitches, the impacts of fringing fields and geometric nonlinearity significantly affect the mechanical behavior of the system. Therefore, neglecting the abovementioned effects leads to errors in the instability prediction of microswitches. Most of microswitches consist of a microcantilever with a proof mass and a fixed substrate which there is an air gap between them. By applying voltage to the system, the microcantilever starts to deflect into the fixed substrate. In this thesis, pull-in instability and deflection of MEMS switches are investigated in both static and dynamic conditions based on the size dependent model. The nonlinear model is introduced by considering modified couple stress theory and fringing field effects as well as geometric nonlinearity. Utilizing the extended Hamilton’s principle, the equation of motion is derived in framework of the nonclassical theory. The effects of various parameters on pull-in instability are studied and errors of results obtained by the linear model and classical theories are calculated. Also, the equation of dynamic motion has been solved by numerical and analytical methods and the results calculated by both methods are compared with each other. The results show that the presented model is capable to predict the displacement and pull-in instability of the microswitches accurately.
