تحلیل غیرخطی میکروتیرهای هدفمند در یک سیستم میکروالکترومکانیکی با هر دو الکترود متحرک

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 فارغ التحصیل دوره‌ی کارشناسی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران

2 دکتری تخصصی، استادیار گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران

10.22044/jsfm.2020.9137.3069

چکیده

هدف پژوهش حاضر بررسی پاسخ استاتیکی و دینامیکی میکروتیرهای غیرخطی هندسی ساخته شده از مواد تابعی مدرج در سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (مِمز) با هر دو الکترود متحرک می‌باشد. بدین منظور، با به‌خدمت گرفتن رابطه‌ی غیرخطی کرنش-جابه‌جایی در این سازه‌ها براساس تئوری غیرخطی فون‌کارمن، معادله‌ی حرکت سیستم با استفاده از اصل همیلتون استخراج شده و در ادامه با استفاده از روش باقیمانده‌ی وزن‌دار گلرکین حل می‌شود. یافته‌های استاتیکی و دینامیکی پژوهش پیش‌رو با نتایج موجود در ادبیات برای سیستم‌های با یک الکترود متحرک اعتبارسنجی می‌شوند. نتایج استاتیکی و دینامیکی حاضر برای سیستم‌های با هر دو الکترود متحرک نیز با آن‌چه از طریق شبیه‌سازی سه‌بعدی اجزاء محدود در نرم‌افزار تجاری کامسول بدست می‌آید، مقایسه شده و به‌صورت موفقیت آمیزی صحه‌گذاری می‌گردند. در ادامه، اثر متحرک بودن هر دو الکترود علاوه‌بر تأثیر تغییر جنس مواد به‌صورت تابعی مدرج و اینرسی بر پاسخ غیرخطی سیستم مورد بررسی قرار می‌گیرد. نتایج حاکی از کاهش چشم‌گیر اختلاف پتانسیل کشیدگی در صورت قابلیت حرکت هر دو الکترود می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


[1] Bell DJ, Lu TJ, Fleck NA, Spearing SM (2005) MEMS actuators and sensors: observations on their performance and selection for purpose. J Micromech Microeng 15(7): S153.

[2] Hung ES, Senturia SD (1999) Extending the travel range of analog-tuned electrostatic actuators. J Microelectromech S 8(4): 497-505.

[3] Nathanson HC, Newell WE, Wickstrom RA, Davis JR (1967) The resonant gate transistor. IEEE T Electron Dev 14(3): 117-133.

[4] Taylor GI (1968) The coalescence of closely spaced drops when they are at different electric potentials. P Roy Soc A-Math Phy 306(1487): 423-434.

[5] Lin SM, Lee SJ, Lin CC (2018) The vibration and pull-in mechanism of two coupled elastically restrained beams assembly subjected to electrostatic force. Mech Adv Mater Struc  1-12.

[6] Tajalli SA, Zand MM, Ahmadian MT (2009) Effect of geometric nonlinearity on dynamic pull-in behavior of coupled-domain microstructures based on classical and shear deformation plate theories. Eur J Mech A-Solid 28(5): 916-925.

[7] Askari AR, Tahani M (2015) Size-dependent dynamic pull-in analysis of beam-type MEMS under mechanical shock based on the modified couple stress theory. Appl Math Model 39(2): 934-946.

[8] Naebe M, Shirvanimoghaddam K (2016) Functionally graded materials: A review of fabrication and properties. Appl Mater Today 5: 223-245.

[9] Andakhshideh A, Maleki S, Marashi SS (2018) Investigation of nonlinear pull-in phenomena in functionally graded micro-beamsunder electrostatic excitation. Journal of Solid and Fluid Mechanics 8(3): 137-151. (in Persian)

[10] Gharib A, Salehi M, Fazeli S (2008) Deflection control of functionally graded material beams with bonded piezoelectric sensors and actuators. Mat Sci Eng A -Struct 498(1-2): 110-114.

[11] Kang YA, Li XF (2009) Bending of functionally graded cantilever beam with power-law non-linearity subjected to an end force. Int J Nonlin Mech 44(6): 696-703.

[12] Witvrouw A, Mehta A (2005) The use of functionally graded poly-SiGe layers for MEMS applications. Mater Sci Forum 492-493: 255-260.

[13] Hasanyan DJ, Batra RC, Harutyunyan S (2008) Pull-in instabilities in functionally graded microthermoelectromechanical systems. J Therm Stresses 31(10): 1006-1021.

[14] Jia XL, Yang J, Kitipornchai S (2010) Characterization of FGM micro-switches under electrostatic and Casimir forces. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.

[15] Abbasnejad B, Rezazadeh G (2012) Mechanical behavior of a FGM micro-beam subjected to a nonlinear electrostatic pressure. Int J Mech Mater Des 8(4): 381-392.

[16] Zare J (2014) Pull-in behavior analysis of vibrating functionally graded micro-cantilevers under suddenly DC voltage. J Appl Comput Mech 1(1): 17-25.

[17] Pourkamali S, Ayazi F (2005) Electrically coupled MEMS bandpass filters: Part I: With coupling element. Sensor. Actuat A-Phys 122(2): 307-316.

[18] Chen CY, Li MH, Chin CH, Li CS, Li SS (2014) Combined electrical and mechanical coupling for mode-reconfigurable CMOS-MEMS filters. in:  2014 IEEE 27th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS).

[19] Napoli M, Zhang W, Turner K, Bamieh B (2005) Characterization of electrostatically coupled microcantilevers. J Microelectromech S 14(2): 295-304.

[20] Caruntu DI, Taylor KN (2012) Reduced order model of two coupled MEMS parallel cantilever resonators under DC and AC voltage near natural frequency. Int Mech Eng Congress Expo 395-400.

[21] Ilyas S, Chappanda KN, Al Hafiz MA, Ramini A, Younis MI (2016) An experimental and theoretical investigation of electrostatically coupled cantilever microbeams. Sensor Actuat A-Phys 247: 368-378.

[22] COMSOL Multiphysics (2016) Version 5.2a. MA 01803. Burlington. (http://www.comsol.com).

 [23] Chakraborty A, Gopalakrishnan S, Reddy JN (2003) A new beam finite element for the analysis of functionally graded materials. Int J Mech Sci 45(3): 519-539.

[24] Batra RC, Porfiri M, Spinello D (2008) Vibrations of narrow microbeams predeformed by an electric field. J Sound Vib 309(3-5): 600-612.

[25] Chao PCP, Chiu CW, Liu TH (2008) DC dynamic pull-in predictions for a generalized clamped–clamped micro-beam based on a continuous model and bifurcation analysis. J Micromech Microeng 18(11): 115008.

[26] Reddy JN (2006) Theory and analysis of elastic plates and shells. Taylor & Francis, Philadelphia.

[27] Reddy JN (2017) Energy principles and variational methods in applied mechanics. John Wiley & Sons, New York.

[28] Younis M (2011) MEMS linear and nonlinear statics and dynamics. Springer, New York.

[29] Askari AR, Tahani M (2014) An alternative reduced order model for electrically actuated micro-beams under mechanical shock. Mech Res Commun 57 34-39.

[30] Balachandran B, Magrab EB (2008) Vibrations. Cengage Learning, Toronto.

[31] Burden RL, Faires DJ (1985) Numerical analysis.