MEMS i mikronapędy Rzeszów 10.01.2012
2DT-DI
Michał Jantas
Michał Jarosz
Ćwiczenie VI
 Analiza elektromechaniczna przetwornika
elektrostatycznego MEMS
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest analiza elektromechaniczna przetwornika elektrostatycznego MEMS
którym
jest kondensator z dołączoną belką krzemową do jednej z elektrod. W ramach analizy
zaplanowano
przeprowadzenie badań symulacyjnych wpływu napięcia zasilającego na wartość
odkształcenia
belki, wyznaczeniu kilku pierwszych częstotliwości rezonansowych belki, ale przy
określonym
przyłożonym napięciu U=const, zaobserwowaniu się zachowania belki po przyłożeniu
określonej siły
F=const w punkcie środkowym belki w zakresie częstotliwości od 300kHz do 400 kHz.
Przetwornik elektrostatyczny MEMS
Powyższy rysunek przedstawia przetwornik elektrostatyczny MEMS. Składa się on z dwóch
elektrod oraz belki krzemowej.
Z uwagi na niewielkie rozmiary czujnika wszystkie właściwości materiałowe jak również
wymiary
geometryczne bÄ™dÄ… podawane w systemie jednostek ìðMKSV. Jest to system metryczny, w
którym
jednostkÄ… podstawowÄ… jest 1ìðm. System ten jest dedykowany do analizy zagadnieÅ„
zwiÄ…zanych
m.in. z MEMS-ami.
Przebieg ćwiczenia
Wyświetlenie zależności przemieszczenia w osi X i Y oraz wartości przyłożonego
napięcia w poszczególnych węzłach modelu:
PRINT DOF NODAL SOLUTION PER NODE
***** POST1 NODAL DEGREE OF FREEDOM LISTING *****
LOAD STEP= 1 SUBSTEP= 1
TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0
THE FOLLOWING DEGREE OF FREEDOM RESULTS ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM
NODE UX UY ROTZ VOLT
1 0.0000 0.0000 0.0000
2 -0.11051E-04 0.0000 0.0000 150.00
3 -0.10499E-04 0.0000 0.0000
4 -0.99460E-05 0.0000 0.0000
5 -0.93935E-05 0.0000 0.0000
6 -0.88409E-05 0.0000 0.0000
7 -0.82884E-05 0.0000 0.0000
8 -0.77358E-05 0.0000 0.0000
9 -0.71832E-05 0.0000 0.0000
10 -0.66307E-05 0.0000 0.0000
11 -0.60781E-05 0.0000 0.0000
12 -0.55256E-05 0.0000 0.0000
13 -0.49730E-05 0.0000 0.0000
14 -0.44205E-05 0.0000 0.0000
15 -0.38679E-05 0.0000 0.0000
16 -0.33153E-05 0.0000 0.0000
17 -0.27628E-05 0.0000 0.0000
18 -0.22102E-05 0.0000 0.0000
19 -0.16577E-05 0.0000 0.0000
20 -0.11051E-05 0.0000 0.0000
21 -0.55256E-06 0.0000 0.0000
22 0.0000 0.0000 0.0000
MAXIMUM ABSOLUTE VALUES
NODE 2 0 0 2
VALUE -0.11051E-04 0.0000 0.0000 150.00
Wyświetlenie siły oddziaływania
 PRINT REACTION SOLUTIONS PER NODE
***** POST1 TOTAL REACTION SOLUTION LISTING *****
LOAD STEP= 1 SUBSTEP= 1
TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0
THE FOLLOWING X,Y,Z SOLUTIONS ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM
NODE FX FY MZ AMPS
1 -0.99608E-01 0.0000 0.0000
2 0.0000 0.0000
22 0.99608E-01 0.0000
TOTAL VALUES
VALUE -0.36515E-12 0.0000 0.0000 0.0000
Wyznaczanie częstotliwości drgań własnych badanego układu
- Kształt deformacji dla danej częstotliwości rezonansowej: FREQ=343189
- Kształt deformacji dla danej częstotliwości rezonansowej: FREQ=137E+07
- Kształt deformacji dla danej częstotliwości rezonansowej: FREQ=309E+07
Wyznaczanie zachowania się układu w zakresie zmian częstotliwości przyłożonej siły w
punkcie środkowym belki przetwornika
Dx=f(U)
10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290 310 330 350 370 390
1,00E-05
0,00E+00
-1,00E-05
-2,00E-05
-3,00E-05
-4,00E-05
-5,00E-05
-6,00E-05
-7,00E-05
-8,00E-05
-9,00E-05
U [V]
Analiza wpływu długości belki krzemowej przetwornik na maksymalną wartość
przemieszczenia przy określonej wartości napięcia zasilającego.
Dx [
µ
m
]
Dx=f(L)
50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
0,00E+00
-2,00E-06
-4,00E-06
-6,00E-06
-8,00E-06
-1,00E-05
-1,20E-05
-1,40E-05
-1,60E-05
L [µm]
Analiza wpływu minimalnej odległości pomiędzy elektrodami kondensatora przetwornik na
maksymalną wartość przemieszczenia przy określonej wartości napięcia zasilającego.
Dx [
µ
m
]
Dx=f(L)
1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10
0,00E+00
-5,00E-04
-1,00E-03
-1,50E-03
-2,00E-03
-2,50E-03
-3,00E-03
-3,50E-03
-4,00E-03
-4,50E-03
-5,00E-03
gapi [µm]
Wpływ ilości substepów na maksymalną wartość przemieszczenia w osi Y belki krzemowej
analizy harmonicznej
n=250
n=300
n=350
n=400
n=450
n=500
Dx [
µ
m
]
n=550
n=600
n=650
Wnioski:
Kondensator jest elementem, którego pojemność zależy przede wszystkim od odległości elektrod, a
co za tym stoi i szerokości dielektryka znajdującego się pomiędzy nimi. Szeroka gama rodziny
kondensatorów tworzona jest przez elementy o zmiennej i stałej pojemności. To jedna z form
podziału lecz istnieją również inne jak choćby przez wzgląd na wykonanie. Do najbardziej
popularnych należą : ceramiczne, elektrolityczne, czy też z tworzyw sztucznych. Inny podział dotyczy
budowy zewnętrznej i wyróżniamy: płaskie, kuliste i cylindryczne. Ogólny zarys przedstawiony na
początku pracy ma za zadanie przybliżyć zasadę działania (w wielu przypadkach bardzo uproszczoną)
dzięki czemu można w dalszej części zagłębić się w inne szczegóły np. miniaturyzacje tych złączy i
zastosowanie w technologii MEMS. Oczywistym jest, że technologia ta dotyczy rozmiarów bardzo
odległych od rozmiaru normalnego, namacalnego elementu, czyli rzędu 10-6, 10-9 mm. Obecny
gwałtowny rozwój mikro techniki oraz miniaturyzacja urządzeń wszelkiego kalibru sprawił, iż pojawiło
się zapotrzebowanie na proporcjonalne do wymogów, moduły. Wymagania nie dotyczyły tylko i
wyłącznie rozmiarów lecz i również rodzajów sterowania podstawowymi parametrami podzespołów.
W naszym przypadku chodziło przede wszystkim o sterowanie pojemnością, zbadanie parametrów
kondensatora oraz ich podatności na różnego rodzaju czynniki.