میکروتیرها بعنوان المان اصلی در اکثر سنسورها و عملگرها مورد استفاده قرار می گیرند. در بعضی موارد نظیر میکرو سویچ ها این عضو ممکن است در محیط حاوی سیال نیز مورد استفاده قرار گیرد. لذا در این مقاله به تحلیل رفتار دینامیکی و آنالیز فرکانسی یک میکروتیر که در یک محفظه بسته حاوی سیال قرار دارد پرداخته ایم. . با فرض تیر اویلر برنولی و سیال تراکم ناپذیر و غیر ویسکوز, معادلات کوپل شده سیال- جامد با استفاده از روش فوریه بسل استخراج شده و سپس مسئله مقدار ویژه مربوطه مورد تحلیل قرار گرفته است که تاثیر سیال بعنوان جرم افزوده در معادلات ظاهر گردیده است. در ادامه وابستگی فرکانسهای طبیعی تیر به مشخصه های سیال و ابعاد هندسی محفظه مورد بررسی قرار گرفته و نشان داده شده که تغییرات طول تیر و محل قرار گیری تیر در محفظه و همچنین استفاده از سیالهای مختلف با خواص گوناگون تاثیر قابل توجهی در تغییر فرکانسهای سیستم دارند. در ادامه شکل مدهای تیر در دو حالت خیس و خشک مورد مقایسه قرار گرفته است و اثر مشخصه های سیال روی مودهای سیستم نشان داده شده است و همچنین الگوهای حرکت سیال در پی رفتار تیر مورد بررسی قرار گرفته است.در نتیجه می توان استنباط کرد که حضور سیال بشدت مدهای بالا را تحت تاثیر قرار می دهد.علاوه بر بررسی ارتعاشات آزاد سیستم کوپل ، رفتار تیر را به ازاء تحریک الکترواستاتیک به فرم ولتاژ پله نیز بررسی قرار گرفته است و اثرات مشخصه های سیال و هندسه سیستم بر روی پاسخ گذرا و زمان ناپایداری سیستم مورد تحلیل قرار گرفته است همچنین با اعمال ولتاژ پله مختلف،پاسخ دینامیکی و ناپایداری میکروتیر مورد مطالعه قرار می گیرد
واژه های کلیدی:
فرکانسهای طبیعی، شکل مد، میکروتیر یکسرگیردار،ولتاژ الکترو استاتیکی،ناپایداری،تغییرات هندسی و مادی، سیال تراکم ناپذیر و غیرلزج،
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فهرست شکل ها……………………………………. ج
فهرست جداول…………………………………….. خ
فصل اول: مفاهیم وکلیات 1
1-1 تفاوت MEMS با سیستمهای ماکرو………………… 5
1-2کاربردهای MEMS……………………………….. 7
1-2-1کاربرد در صنعت خودرو………………………… 7
1-2-2 کاربرد در پزشکی……………………………. 8
1-2-3کاربرد در الکترونیک…………………………. 8
1-3سیستمهای جدید مرتبط با MEMS…………………… 9
1-3-1سیستم های میکروالکترومکانیکی زیستی……………. 9
1-3-2سیستمهای میکرواپتوالکترومکانیکی ………………. 9
1-3-3: سیستمهای میکروالکترومکانیکی فرکانس بالا………. 9
1-4 میکرومحرکها……………………………….. 12
1-4-1 محركهای الكترواستاتیكی…………………….. 13
1-4-2 محركهای گرمائی…………………………… 14
1-4-3 پنوماتیك گرمائی………………………….. 14
1-4-4 سایر محركها………………………………. 15
1-5 تكنولوژی میكرو ماشینكاری……………………. 15
1-6 تکنیکهای میکروماشینکاری…………………….. 16
1-6-1 میکروماشینکاری حجمی……………………….. 17
1-6-2 میکروماشینکاری سطحی……………………….. 20
1-6-3 روش چسباندن لایه ای………………………… 22
1-7 پایداری MEMS……………………………… 23
1-8 مزایا و معایب MEMS…………………………. 23
فصل دوم: پیشینه تحقیق 27
2-1مروری بر کلیات تاریخچه(MEMS)……………………. 27
2-2 تحقیقات قبلی در رابطه با پدیده ناپایداری در ساختارهای MEMS 28
2-3 تحقیقات قبلی در رابطه با آنالیز فرکانسهای طبیعی ساختارهای MEMS………………………………………………. 30
2-5 تحقیقات قبلی در رابطه با بررسی اثر ولتاژ آنیدر ساختارهای MEMS………………………………………………. 30
2-6 کارهای انجام شده مرتبط با پروژه………………… 31
فصل سوم: توصیف مدل و استخراج معادلات حاکم برمسئله 34
3-1معرفی مدل مورد مطالعه…………………………. 34
3-2 مدلسازی ریاضی برای محركهای میكروالكترومكانیكی الكترواستاتیكی………………………………………………. 35
3-3 فرمولبندی برای ارتعاشات سیال………………….. 38
3-4ارتعاشات کوپل شده سیستم……………………….. 43
3-5 حل مقدار ویژه سیستم (ارتعاشات آزاد)…………… 44
3-6 روابط جرم افزوده……………………………. 45
فصل چهارم: نتایج عددی و بحث 47
4-1 بازبینی و تصدیق روش ارائه شده برای سیال نامحدود… 47
4-2 نتایج عددی ومباحثه برای ارتعاشات آزاد…………… 48
4-3 نتایج عددی و مباحثه برای ارتعاشات اجباری با اعمال ولتاژ آنی……………………………………………… 60
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهاد 66
مراجع 68
فهرست اشکال
شکل1-1 قطعات ساخته شده با استفاده از فناوری MEMS…. 1
شکل 1-2 اجزای تشكیل دهندة MEMS………………….. 2
شکل1-3نمائی شماتیكی از تراشه MEMS……………….. 3
شکل1-4 تكنولوژی میكروسیستم………………………. 4
شکل1-5تكامل تدریجی بازار MEMS…………………… 4
شکل1-6اندازة موارد مختلف بر حسب متر………………. 7
شکل1-7 یک مورچه در زیر میکروسکوپ الکترونی…………. 11
شکل1-8نمونه مینیاتوری اولین خودروی مسافربری تویوتا … 11
شکل1-9کوچکترین گیتار جهان……………………….. 11
شکل1-10 میکروپمپ تحت اثر نیروی مغناطیسی…………… 12
شکل1-11پاهای یک حشره بر روی چرخ دنده های میکروماشینکاری شده 12
شکل1-12 دیاگرام شماتیكی از میكرومحرك الكترواستاتیكی… 13
شکل1-13دیاگرام شماتیكی از میكرومحرك و میکروموتور الكترواستاتیكی…………………………………………….. 14
شکل1-14دیاگرام شماتیكی از میكرومحرك پنوماتیك گرمائی… 15
شکل1-15انواع ساختارهای میکروماشینکاری حجمی………… 17
شکل1-16میکروماشینکاری سیلیکون حجمی……………….. 19
شکل1-17میکروماشینکاری سطحی سیلیکون……………….. 20
شکل1-18 مثالی ازمیکروماشینکاری سطحی اصلاح شده………. 22
شکل1-19 دیاگرام شماتیكی از ایجاد نیروی الكترواستاتیكی. 25
شکل1-20 میکرو محرک……………………………… 26
شکل2-1تاریخچه MEMS در ایالات متحده از 1950 تا 2000……… 28
شکل3-1 طرح اجمالی از میکروتیر و محفظه سیال مورد نظر… 35
شکل4-1 شکل مدهای تیر و سیال در مد 1……………… 50
شکل4-2شکل مدهای تیر و سیال در مد 2………………. 51
شکل4-3 شکل مدهای تیر و سیال در مد 3……………… 52
شکل4-4 شکل مدهای تیر و سیال در مد 4……………… 53
شکل4-5تغییرات فرکانس طبیعی بعلت حضور سیال…………. 54
شکل4-6نمودار همگرایی……………………………. 55
شکل4-7 تغییرات فرکانسهای طبیعی نسبت به تغییرات دانسیته سیال 55
شکل4-8 تغییرات فرکانسهای طبیعی نسبت به تغییرات طول میکروتیر 56
شکل4-9 تغییرات فرکانسهای طبیعی نسبت به تغییرات محل قرارگیری تیر در مخزن………………………………………. 57
شکل4-10 تاثیر تغییرات طول تیر بر روی شکل مدهای تیر خشک و خیس در مد اول……………………………………….. 58
شکل4-11 تاثیر تغییرات طول تیر بر روی شکل مدهای تیر خشک و خیس در مد دوم……………………………………….. 58
شکل4-12 تاثیر تغییرات طول تیر بر روی شکل مدهای تیر خشک و خیس در مد سوم……………………………………….. 59
شکل4-13 تاثیر تغییرات طول تیر بر روی شکل مدهای تیر خشک و خیس در مد چهارم……………………………………… 59
شکل4-14 پاسخ گذرای تیر در تداخل با سیالهای مختلف…… 61
شکل4-15 پدیده pull-in برای تیر در تداخل با سیالهای مختلف 61
شکل4-16مقایسه سیالهای مختلف بر روی ولتاژ pull-in…….. 62
شکل4-17 پاسخ گذرای تیر در تداخل با سیال اتانول با اعمال ولتاز پله مختلف………………………………………… 63
شکل4-18 تاثیر تغییرات طول تیر بر روی پاسخ دینامیکی سیستم قبل از پدیده pull-in……………………………………. 63
شکل4-19 تاثیر تغییرات طول تیر بر روی پدیده pull-in…… 64
شکل4-20 تغییرات ولتاژ pull-in به ازای تغییرات طول با در نظر گرفتن سیالهای مختلف…………………………………. 64
شکل4-21 تغییرات فاصله بین دو الکترود بر روی ولتاژ pull-in به ازای سیالهای مختلف…………………………………. 65
فهرست جداول
جدول3-1 ریشه های معادله مشخصه تیر یکسرگیردار………. 38
جدول4-1تصدیق ومقایسه فرکانسهای اصلی در خلاء………… 47
جدول4-1تصدیق ومقایسه فرکانسهای اصلی در آب…………. 47
جدول 4-3 مشخصه های سیستم مورد استفاده در شبیه سازی…. 48
جدول 4-4خواص سیال………………………………. 48
جدول 4-5درصد کاهش فرکانسها………………………. 54
فصل اول
مفاهیم وکلیات
میکروسیستم‌هایالکترومکانیکی[1] به عنوان یکی ازآینده‌دارترین تکنولوژی‌ها در قرن 21 شناخته شده است که قادر است با یکپارچه‌سازی میکروالکترونیک و تکنولوژی میکروماشینکاری، تحولی شگرف در صنعت و محصولات مصرفی همچون صنعت خودروسازی، پزشکی، الکترونیک، ارتباطات و … داشته باشد.
شكل 1-1: قطعات ساخته شده با استفاده از فناوری MEMS
MEMSتکنولوژی ساخت قطعات و سیستمهای مجتمع متشکل از اجزای الکتریکی و مکانیکی میباشد که از روشهای تولید گروهی استفاده می‌کند. کلمه MEMS که مخفف میکروسیستم‌های الکترومکانیکی است در آمریکا رایج میباشد، در حالیکه در اروپا تکنولوژی میکروسیستم و در ژاپن میکروماشین‌ها رایج میباشد. فرآیندهای میکروماشینکاری حجمی و سطحی برای برداشتن و یاقراردادن لایه‌هایی از سیلیکون و یامواد دیگر به کار میروند تا اجزای مکانیکی و الکترومکانیکی را تولید کنند.
MEMS در حالت کلی به صورت زیر تعریف می‌شود:
MEMSیك سیستم كامل در ابعاد میكرو (شامل حركت، الكترومغناطیس، دستگاه‌ها و سازه‌های نوری میكرو و انرژی تابشی، مدارهای حس‌گر/محرك، مدارهای مجتمع (IC) پردازشگر/كنترل كننده) است كه به صورت غیر انبوه تولید شده و:
- پارامترها و تحریكات فیزیكی را به سیگنال‌های الكتریكی، مكانیكی و نوری تبدیل می‌كند و برعكس.
- وظایف حس‌كردن، به كار انداختن و … را بر عهده دارد.
- شامل بخش‌های كنترل (هوشمندی، تصمیم‌گیری، یادگیری تدریجی، تطبیق، سازماندهی خودمحور و …)، تشخیص، پردازش سیگنال و جمع‌آوری اطلاعات میباشد.“
اساساً، MEMS سیستمی است متشكل از سازه، حس‌گر، مدار الكترونیكی و كارانداز میكرو (شكل 1-2). سازة میكرو چهارچوب سیستم را تشكیل می‌دهد؛ حس‌گر میكرو سیگنال‌ها را جستجو می‌كند؛ مدار الكترونیكی میكرو، سیگنال‌های دریافتی را پردازش كرده و به كارانداز میكرو، فرمان پاسخ به سیگنال‌ها را می‌دهد.
با استفاده از تكنولوژی ساخت مدارهای مجتمع و به منظور تولید دستگاه‌های مكانیكی و الكترومكانیكی، MEMS معمولاً بر یك بستر سیلیكونی كه قسمت‌هایی از آن به انتخاب و به روش اچ‌كردن جدا شده یا لایه‌های جدیدی به آن اضافه گشته، ساخته می‌شود.
[1]Mems
[2]IC
