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 będą podawane w systemie jednostek MKSV. Jest to system metryczny, w którym

jednostką podstawową jest 1m. System ten jest dedykowany do analizy zagadnień związanych

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

Analiza wpływu długości belki krzemowej przetwornik na maksymalną wartość

przemieszczenia przy określonej wartości napięcia zasilającego.

Analiza wpływu minimalnej odległości pomiędzy elektrodami kondensatora przetwornik na

maksymalną wartość przemieszczenia przy określonej wartości napięcia zasilającego.

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

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.