بررسی رفتار استاتیکی، فرکانس و ظرفیت خازنی میکروسوئیچ‌های سه‌صفحه‌ای با استفاده از تئوری تنش کوپل بهبودیافته

نوع مقاله : گرایش دینامیک، ارتعاشات و کنترل

نویسندگان

1 استاد، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

2 دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

3 نویسنده مسئول: دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه پدافند هوایی خاتم‌الانبیاء (ص)، تهران، ایران

چکیده

با توجه به اهمیت اثرات پارامتر طول مشخصه در بررسی پایداری میکروسوئیچ‌ها، در این مقاله به بحث و بررسی پایداری میکروسوئیچ با در نظر گرفتن این اثر و با استفاده از تئوری تنش کوپل بهبودیافته پرداخته می‌شود. میکروسوئیچ موردمطالعه در این مقاله میکروسوئیچ سه‌صفحه‌ای است که در آن میکروتیر بین دو الکترود ثابت معلق می‌باشد. اخیراً چنین میکروسوئیچ‌هایی نظر برخی از محققین را به خود جلب کرده و تحقیقاتی در مورد تحلیل رفتار استاتیکی و دینامیکی این سوئیچ‌ها صورت گرفته است. برای این منظور معادله حاکم بر رفتار دینامیکی و استاتیکی میکروسوئیچ با استفاده از تئوری تنش کوپل و تئوری تیر کلاسیک ارائه می‌شود. برای حل معادله حاکم که یک معادله غیرخطی می‌باشد؛ از روش گام‌به‌گام خطی‌سازی استفاده می‌شود. نتایج حاکم بر رفتار استاتیکی میکروسوئیچ و تعیین ولتاژ ناپایداری در شرایط مختلف نسبت ولتاژی با استفاده از هر دو تئوری تنش کوپل و تئوری تیر کلاسیک تعیین و با هم مقایسه می‌شود. علاوه بر مورد فوق؛ چگونگی تغییرات فرکانس و ظرفیت خازنی میکروسوئیچ نسبت به تغییر ولتاژ اعمالی با استفاده از تئوری تنش کوپل و تئوری تیر کلاسیک ارائه و با هم مقایسه می‌شوند.

چکیده تصویری

بررسی رفتار استاتیکی، فرکانس و ظرفیت خازنی میکروسوئیچ‌های سه‌صفحه‌ای با استفاده از تئوری تنش کوپل بهبودیافته

تازه های تحقیق

  • اثرات پارامتر طول مشخصه در بررسی پایداری میکروسوئیچ‌ها
  • چگونگی تغییرات فرکانس نسبت به تغییر ولتاژ اعمالی
  • تعیین ولتاژ ناپایداری در شرایط مختلف

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Analysis of Static behavior, Frequency, and Capacitance of Three Plates Microswitch Using Modified Couple Stress Theory

نویسندگان [English]

  • Karamat Malekzadeh Fard 1
  • Hamed Mobki 2
  • Alireza Pourmoayed 3
1 Professor, Faculty of Aerospace Engineering, Malek-e-Ashtar University of Technology, Tehran, Iran
2 Ph.D., Faculty of Mechanical Engineering, Urmia University, Urmia, Iran
3 Corresponidng author: Associate Professor, Faculty of Mechanical Engineering, Khatamul-Anbiya Air Defense University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Considering the importance of the effects of the characteristic length parameter in studying the stability of microswitches, this paper discusses and studies the stability of microswitches by considering this effect and using the improved coupled stress theory. The microswitch studied in this paper is a three-plane microswitch in which the microbeam is suspended between two fixed electrodes. Recently, such microswitches have attracted the attention of some researchers and research has been conducted on the analysis of the static and dynamic behavior of these switches. For this purpose, the governing equation for the dynamic and static behavior of the microswitch is presented using the coupled stress theory and the classical beam theory. To solve the governing equation, which is a nonlinear equation; the stepwise linearization method is used. The results governing the static behavior of the microswitch and the determination of the instability voltage under different voltage ratio conditions are determined and compared using both the coupled stress theory and the classical beam theory. In addition to the above, how the frequency and capacitance of the microswitch change with respect to the applied voltage change are presented and compared using the coupled stress theory and the classical beam theory.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Micro switch
  • Modified couple stress theory
  • Instability
  • Micro beam

Smiley face

مراجع

[1] Mobki H, Rezazadeh G, Sadeghi M, Vakili-Tahami F, Seyyed-Fakhrabadi MM. A comprehensive study of stability in an electro-statically actuated micro-beam. International Journal of Non-Linear Mechanics. 2013;48:78-85. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2012.08.002
[2] Senturia S. Microsystem Design. Norwell, MA: Kluwer; 2001.
[3] Sadeghian H, Rezazadeh G, Osterberg PM. Application of the generalized differential quadrature method to the study of pull-in phenomena of MEMS switches. Journal of Microelectromechanical Systems. 2007;16(6):1334-40. DOI: https://doi.org/10.1109/JMEMS.2007.909237
[4] Kacem N, Baguet S, Hentz S, Dufour R. Computational and quasi-analytical models for non-linear vibrations of resonant MEMS and NEMS sensors. International Journal of Non-Linear Mechanics. 2011;46:532-42. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2010.12.012
[5] Guo JG, Zhou LJ, Zhao YP. Instability analysis of torsional MEMS/NEMS actuators under capillary force. Journal of Colloid and Interface Science. 2009;331:458-62. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2008.11.069
[6] Batra RC, Porfiri M, Spinello D. Effects of Casimir force on pull-in instability in micromembranes. Europhysics Letters. 2007;77(1):1-6. DOI: https://doi.org/10.1209/0295-5075/77/20010
[7] Saeedi Vahdat A, Abdolkarimzadeh F, Feyzi A, Rezazadeh G, Tarverdilo S. Effect of thermal stresses on stability and frequency response of a capacitive microphone. Microelectronics Journal. 2010;41:865-73. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mejo.2010.07.013
[8] Nabian A, Rezazadeh G, Almassi M, Borgheei AM. On the stability of a functionally graded rectangular micro-plate subjected to hydrostatic and nonlinear electrostatic pressures. Acta Mechanica Solida Sinica. 2013;26(2):205-20. DOI: https://doi.org/10.1016/S0894-9166(13)60020-8
[9] Tian W, Chen Z. Analysis of bistable inductive micro-switch based on surface micro size effect. Applied Surface Science. 2015;334:32-9. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.07.150
[10] Rashvand K, Rezazadeh G, Mobki H, Ghayesh MH. On the size-dependent behavior of a capacitive circular micro-plate considering the variable length-scale parameter. International Journal of Mechanical Sciences. 2013;77:333-42. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2013.09.023
[11] Salamat-Talab M, Nateghi A, Torabi J. Static and dynamic analysis of third-order shear deformation FG micro beam based on modified couple stress theory. International Journal of Mechanical Sciences. 2012;57(1):63-73. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2012.02.004
[12] Trinh LC, Nguyen HX, Vo TP, Nguyen TK. Size-dependent behaviour of functionally graded microbeams using various shear deformation theories based on the modified couple stress theory. Composite Structures. 2016;154:556-72. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.07.033
[13] Abbasnejad B, Rezazadeh G, Shabani R. Stability analysis of a capacitive FGM micro-beam using modified couple stress theory. Acta Mechanica Solida Sinica. 2013;26(4):427-40. DOI: https://doi.org/10.1016/S0894-9166(13)60038-5
[14] Shaat M, Mohamed SA. Nonlinear-electrostatic analysis of micro-actuated beams based on couple stress and surface elasticity theories. International Journal of Mechanical Sciences. 2014;84:208-17. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2014.04.020
[15] Yang F, Chong ACM, Lam DCC, Tong P. Couple stress based strain gradient theory for elasticity. International Journal of Solids and Structures. 2002;39:2731-43. DOI: https://doi.org/10.1016/S0020-7683(02)00152-X
[16] Park SK, Gao XL. Bernoulli–Euler beam model based on a modified couple stress theory. Journal of Micromechanics and Microengineering. 2006;16(11):2355-9. DOI: https://doi.org/10.1088/0960-1317/16/11/015
[17] Mobki H, Rashvand K, Afrang S, Sadeghi MH, Rezazadeh G. Design, simulation and bifurcation analysis of a novel micromachined tunable capacitor with extended tunability. Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering. 2014;38(1):1-12. DOI: https://doi.org/10.1139/tcsme-2014-0002
 
[18] Afrang S, Mobki H, Sadeghi MH, Rezazadeh G. A new MEMS based variable capacitor with wide tunability, high linearity and low actuation voltage. Sensors and Actuators A: Physical. 2015;46(2):191-7. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mejo.2014.11.006
[19] Mobki H, Sadeghi MH, Afrang S, Rezazadeh G. On the tunability of a MEMS based variable capacitor with a novel structure. Microsystem Technologies. 2011;17:1447-52. DOI: https://doi.org/10.1007/s00542-011-1327-6
[20] Rezazadeh G, Tahmasebi A, Zubstov M. Application of piezoelectric layers in electrostatic MEM actuators: controlling of pull-in voltage. Microsystem Technologies. 2006;12:1163-70. DOI: https://doi.org/10.1007/s00542-006-0245-5
[21] Osterberg P. Electrostatically Actuated Microelectromechanical Test Structures for Material Property Measurement [PhD Thesis]. Cambridge: MIT; 1995.
[22] Fathalilou M, Sadeghi M, Rezazadeh G, Jalilpour M, Naghilou A, Ahouighazvin S. Study on the pull-in instability of gold micro-switches using variable length scale parameter. Journal of Solid Mechanics. 2011;3(2):114-23.
مکانیک هوافضا
دوره 21، شماره 1 - شماره پیاپی 79
شماره پیاپی 79، فصلنامه بهار
خرداد 1404
صفحه 97-108

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 01 آبان 1403
  • تاریخ بازنگری: 09 دی 1403
  • تاریخ پذیرش: 16 دی 1403
  • تاریخ انتشار: 01 خرداد 1404

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار