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静电驱动微束的形状优化,以扩大静态和动态工作范围。 (英语) Zbl 1274.74346号

总结:我们介绍了一种通用形状优化方法的系统开发和应用,以提高静电驱动微束的静态和动态吸合范围。基于能量的技术用于提取分布式机电模型的静态和动态引入参数,该参数考虑了边缘场电容、适度大的偏转以及机械力和电力之间的耦合。使用多功能参数宽度函数表征悬臂和固定微梁的非棱镜几何结构,并使用函数最小化的Nelder-Mead方法和惩罚方法优化所提出的宽度函数的参数,以加强约束。我们考虑了几个测试用例,以充分证明所建议方法的实用性。结果表明,使用我们的优化方法可以将行程范围增加20%。在固定-固定微束的情况下,发现移动范围内的这种增强取决于几何非线性的程度。我们提出了这些微束的最佳形状,这些微束易于用于微加工,在静态和动态状态下都表现出改进的吸合响应。对于一组典型案例,通过对参考和优化几何结构进行三维有限元分析,验证了在静态和动态驱动模式下增加的行程范围。

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第74页第15页 固体力学优化问题的拓扑方法
74M05个 固体力学中的控制、开关和设备(“智能材料”)
74S05号 有限元方法在固体力学问题中的应用
74M25型 固体微观力学
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参考文献:

[1] Abdalla M,Reddy C,Faris W,Gürdal Z(2005)静电驱动微束的最大引入电压优化设计。计算结构83(15–16):1320–1329。doi:10.1016/j.compstruc.2004.07.010·doi:10.1016/j.compstruc.2004.07.010
[2] Allen M、Raulli M、Maute K、Frangopol D(2004)静电驱动MEMS的可靠性分析和设计优化。计算结构82(13–14):1007–1020。doi:10.1016/j.com.pstruc.2004.03.009·doi:10.1016/j.compstruc.2004.03.009
[3] Aluru N(1999)微电子机械系统无网格分析的再生核粒子法。计算力学23(4):324–338。doi:10.1007/s004660050413·兹比尔0949.74077 ·doi:10.1007/s004660050413
[4] Ansari M,Cho C(2009),生物传感器用矩形、三角形和阶梯形微悬臂梁的挠度、频率和应力特征。传感器9(8):6046–6057。数字对象标识代码:10.3390/s90806046·数字对象标识代码:10.3390/s90806046
[5] Bao Z,Mukherjee S(2004)带薄导电板和壳的MEMS静电边界元法。工程分析边界元素28:1427–1435·Zbl 1137.78345号 ·doi:10.1016/j.enganabound.2004.07.001
[6] Batra R,Porfiri M,Spinello D(2006)电动驱动窄微束的机电模型。微电子机械系统杂志15(5):1175–1189。doi:10.1109/JMEMS.2006.880204·doi:10.1109/JMEMS.2006.880204
[7] Batra R、Porfiri M、Spinello D(2007)《静电驱动微电子机械系统建模综述》。智能材料结构16(6):R23–R31。doi:10.1088/0964-1726/16/6/R01
[8] Batra R、Porfiri M、Spinello D(2008)电场预变形窄微束的振动。J Sound Vib 309(3–5):600–612。doi:10.1016/j.jsv.2007.07.030·doi:10.1016/j.jsv.2007.07.030
[9] Bifano T、Perreault J、Krishnamoorthy Mali R、Horenstein M(1999)《微机电变形镜》。IEEE J选择顶级量子电子5(1):83–89·doi:10.1109/2944.748109
[10] Bochobza-Degani O,Elata D,Nemirovsky Y(2002)静电驱动MEMS器件CAD的高效DIPIE算法。微电子机械系统杂志11(5):612–620。doi:10.1109/JMEMS.2002.803280·doi:10.1109/JMEMS.2002.803280
[11] Brent R(1973)无导数最小化算法。普伦蒂斯·霍尔,恩格尔伍德悬崖·Zbl 0245.65032号
[12] Byun JK,Park IH,Hahn SY(2002),使用设计灵敏度对静电致动器进行拓扑优化。IEEE Trans Magn 38(2 I):1053–1056。数字对象标识代码:10.1109/20.996270·数字对象标识代码:10.1109/20.996270
[13] Chaterjee S,Pohit G(2009)静电驱动微悬臂梁拉入分析的大挠度模型。J Sound Vib 322(4–5):969–986。doi:10.1016/j.jsv.2008.11.046·doi:10.1016/j.jsv.2008.11.046
[14] Chen BC,Silva E,Kikuchi N(2001)《MEMS应用中的计算设计和优化进展》。国际数字方法工程杂志52(1-2):23-62。doi:10.1002/nme.271·doi:10.1002/nme.271
[15] Chen S,Baughn T,Yao Z,Goldsmith C(2002)一种新的mems固定梁结构原位残余应力测量方法。微电子机械系统杂志11(4):309–316。doi:10.1109/JMEMS.2002.800936·doi:10.1109/JMEMS.2002.800936
[16] Cheng J,Zhe J,Wu X(2004)刚性和可变形静电微执行器的分析和有限元模型拉入研究。《Micromech Microeng杂志》14(1):57–68。doi:10.1088/0960-1317/14/1/308·doi:10.1088/0960-1317/14/1/308
[17] Chopra,AK(1995),《结构动力学、理论和地震工程应用》,Prentice-Hall,Englewood Cliffs·Zbl 0842.73001号
[18] Chowdhury S,Ahmadi M,Miller W(2005)静电驱动悬臂梁拉入电压的闭合模型。《Micromech Microeng杂志》15(4):756–763。doi:10.1088/0960-1317/15/4/012·doi:10.1088/0960-1317/15/4/012
[19] COM(2008)COMSOL多物理,MEMS模块用户指南,3.5a版。COMSOL公司
[20] Das K,Batra RC(2009),微电子机械系统瞬态变形中的拉入和咬合不稳定性。J Micromech Microeng 19(3),文章编号:035008。doi:10.1088/0960-1317/19/3/035008
[21] Elata D(2005)关于静电执行器的静态和动态响应。布尔波尔学院科技科学53(4):373–384·Zbl 1194.74069号
[22] Elata D,Bochobza-Degani O,Nemirovsly Y(2003)一种用于静电MEMS器件计算机辅助设计的高效自适应单模拉入提取算法。In:程序。纳米技术。conf.贸易展纳米技术,第1卷,第464–467页
[23] Fernando S、Austin M、Chaffey J(2007),传感器元件的改进悬臂轮廓。《物理与应用物理学杂志》40(24):7652–7655。doi:10.1088/0022-3727/40/24/009·doi:10.1088/0022-3727/40/24/009
[24] Gray G,Morgan M,Kohl P(2004)由于双轴固有应力梯度,具有扩展调谐范围的静电致动器。微电子系统杂志13(1):51-62。doi:10.1109/JMEMS.2003.823231·doi:10.1109/JMEMS.2003.823231
[25] Haronian D(1995)通过优化几何形状最大化微电子机械传感器和执行器的灵敏度。Sens执行机构A Phys 50(3):223–236。doi:10.1016/0924-4247(96)80111-7·doi:10.1016/0924-4247(95)01086-6
[26] Hu Y,Chang C,Huang S(2004)静电驱动微结构的一些设计考虑。传感器执行器A Phys 112(1):155–161。doi:10.1016/j.sna.2003.12.12·doi:10.1016/j.sna.2003.12.12
[27] 黄JM,Liew K,Wong C,Rajendran S,Tan M,Liu A(2001)电容式微机械开关的机械设计与优化。Sens执行机构A Phys 93(3):273–285。doi:10.1016/S0924-4247(01)00662-8·doi:10.1016/S0924-4247(01)00662-8
[28] Hung E,Senturia S(1999)扩展模拟调谐静电致动器的行程范围。微电子机械系统杂志8(4):497–505·doi:10.1109/84.809065
[29] Ijntema D,Tilmans H(1992)空气电容器的静态和动态方面。传感器执行器A Phys 35(2):121–128。doi:10.1016/0924-4247(92)80150-2·doi:10.1016/0924-4247(92)80150-2
[30] Joglekar M,Pawaskar D(2009)可变宽度静电微执行器的拉入动力学。In:程序。ASME-Bienn conf eng syst des anal,第4卷,第327–335页
[31] Joglekar M,Pawaskar D(2011a)预测静电驱动锥形微悬臂的动态拉入参数的闭合形式经验关系。J Micromech Microeng 21,文章编号:105014。doi:10.1088/0960-1317/21/10/105014
[32] Joglekar M,Pawaskar D(2011b)预测具有线性宽度变化的静电驱动微悬臂梁静态吸合参数的闭合形式经验关系。微晶技术17(1):35–45。doi:10.1007/s00542-010-1153-2·doi:10.1007/s00542-010-1153-2
[33] Joglekar M,Pawaskar D(2011c)静电驱动微束型开关的振荡周期/切换时间估算。《国际机械科学杂志》53(2):116-125。doi:10.1016/j.ijmecsci.2010.12.001·doi:10.1016/j.ijmecsci.2010.12.001
[34] Kacem N,Hentz S,Pinto D,Reig B,Nguyen V(2009)《纳米机械梁谐振器的非线性动力学:提高基于NEMS的传感器的性能》。纳米技术20(27):275501。doi:10.1088/0957-4484/20/27/275501·doi:10.1088/0957-4484/20/27/275501
[35] Koester D、Cowen A、Mahadevan R、Stonefield M、Hardy B(2003)《PolyMUMP设计手册》。MEMSCAP公司
[36] Krylov S(2007)Lyapunov指数作为静电驱动微结构动态拉入不稳定性的标准。国际非线性力学杂志42(4):626–642。doi:10.1016/j.ijnnonlinme.2007.01.004·doi:10.1016/j.ijnonlinme.2007.01.04
[37] Kuang JH,Chen CJ(2005)成型电极致动器的非线性静电行为。《国际机械科学杂志》47(8):1172-1190。doi:10.1016/j.ijmecsci.2005.04.006·Zbl 1192.74104号 ·doi:10.1016/j.ijmecsci.2005.04.006
[38] Lemaire E、Rochus V、Golinval JC、Duysinx P(2008)微束拉入电压拓扑优化,包括材料沉积约束。计算方法应用机械工程197(45–48):4040–4050。doi:10.1016/j.cma.2008.03.024·兹比尔1194.78072 ·doi:10.1016/j.cma.2008.03.024
[39] Leus V,Elata D(2008)《静电MEMS开关的动态响应》。微电子机械系统杂志17(1):236–243。doi:10.1109/JMEMS.2007.908752·doi:10.1109/JMEMS.2007.908752
[40] Li G,Aluru N(2001)静电MEMS的线性、非线性和混合状态分析。Sens执行机构A Phys 91(3):278–291。doi:10.1016/S0924-4247(01)00597-0·doi:10.1016/S0924-4247(01)00597-0
[41] Li Y,Muthukumaran P,Bhat R(2007)多静电可变形微桥的形状优化和动态特性。微晶技术13(7):663–675。doi:10.1007/s00542-006-0290-0·doi:10.1007/s00542-006-0290-0
[42] Li M,Huang QA,Li WH(2009)弓形微梁机电行为模拟的节点分析方法。微晶技术15(7):985–991。doi:10.1007/s00542-009-0819-0·doi:10.1007/s00542-009-0819-0
[43] Lin R,Wang W(2006)微系统结构动力学——研究现状和未来方向。机械系统信号流程20(5):1015–1043。doi:10.1016/j.ymssp.2005.08.013·doi:10.1016/j.ymssp.2005.08.013
[44] Liu M,Maute K,Frangopol D(2007)有参数不确定性和无参数不确定性静电驱动微束谐振器的多目标设计优化。Reliab Eng Syst Saf 92(10):1333-1343。doi:10.1016/j.ress.2006.09.007·doi:10.1016/j.ress.2006.09.007
[45] MAT(2001)优化工具箱用户指南(用于MATLAB)。马萨诸塞州纳蒂克市MathWorks公司
[46] Maute K,Frangopol DM(2003)通过拓扑优化的MEMS机构的基于可靠性的设计。计算结构81(8–11):813–824。doi:10.1016/S0045-7949(03)00008-7·doi:10.1016/S0045-7949(03)00008-7
[47] Morshed S,Prorok B(2007)为加强有害生物物种的检测量身定制梁力学。实验力学47(3):405–415。doi:10.1007/s11340-006-9015-7·doi:10.1007/s11340-006-9015-7
[48] Nadal-Guardia R、DehéA、Aigner R、Castañer L(2002)将静电微执行器的行程范围扩展到电压引入点以外的当前驱动方法。微电子机械系统杂志11(3):255–263。doi:10.10109/JMEMS.2002.1007404·doi:10.1109/JMEMS.2002.1007404
[49] Najar F、Choura S、El-Borgi S、Abdel-Rahman E、Nayfeh A(2005)可变几何静电微致动器的建模与设计。《Micromech Microeng杂志》15(3):419–429。doi:10.1088/0960-1317/15/3/001·Zbl 1269.74113号 ·doi:10.1088/0960-1317/15/3/001
[50] Najar F、Choura S、Abdel-Rahman E、El-Borgi S、Nayfeh A(2006)可变几何静电微致动器的动态分析。《Micromech Microeng杂志》16(11):2449–2457。doi:10.1088/0960-1317/16/11/028·doi:10.1088/0960-1317/16/11/028
[51] Nelder J,Mead R(1965)函数最小化的单纯形方法。计算J 7:308–313·Zbl 0229.65053号 ·doi:10.1093/comjnl/7.4.308
[52] Nielson G,Barbastathis G(2006)平行板和扭转静电MEMS致动器的动态拉入。微电子机械系统杂志15(4):811–821·doi:10.1109/JMEMS.2006.879121
[53] Nocedal J,Wright S(1999)《数值优化》。纽约州施普林格·Zbl 0930.65067号
[54] Osterberg P,Senturia S(1997)M-test:一种使用静电驱动测试结构测量MEMS材料性能的测试芯片。微电子机械系统杂志6(2):107–118。数字对象标识代码:10.1109/84.585788·数字对象标识代码:10.1109/84.585788
[55] Palmer H(1937)通过Schwartz–Christoffel变换得到的平行板电容器的电容。翻译AIEE 56:363–366
[56] Pamidighantam S,Puers R,Baert K,Tilmans H(2002)具有固定-固定和固定自由端条件的静电致动梁结构的拉入电压分析。《Micromech Microeng杂志》12(4):458–464。doi:10.1088/0960-1317/12/4/319·doi:10.1088/0960-1317/12/4/319
[57] Piyabongkarn D,Sun Y,Rajamani R,Sezen A,Nelson B(2005)MEMS静电微致动器的行程范围扩展。IEEE传输控制系统技术13(1):138–145。doi:10.1109/TCST.2004.838572·doi:10.1109/TCST.2004.838572
[58] Raulli M(2006)预测和优化任意复杂机电系统的引入电压。单位:Coll。技术。第11届AIAA/ISSMO多学科论文。肛门。优化。conf.,第2卷,第899–911页
[59] Raulli M,Maute K(2005)静电驱动微系统的拓扑优化。结构多盘优化30(5):342–359。doi:10.1007/s00158-005-0531-3·doi:10.1007/s00158-005-0531-3
[60] Raulli M,Maute K(2009)《考虑引入的MEMS可靠性设计优化》,《机械设计杂志》131(6):061014。数字对象标识代码:10.1115/1.3116262·数字对象标识代码:10.1115/1.3116262
[61] Rezazadeh G,Khatami F,Tahmasebi A(2007)《扭转和弯曲对静电扭转微镜静态稳定性影响的研究》。微晶技术13(7):715–722。doi:10.1109/SMELEC.2006.381022·doi:10.1007/s00542-006-0362-1
[62] Rhoads JF、Shaw SW、Turner KL(2009)非线性动力学及其在微纳谐振器中的应用。In:程序。ASME动态系统和控制会议,DSCC 2008,A部分,第543-572页
[63] Rochus V,Rixen D,Golinval JC(2005)《MEMS结构的静电耦合:瞬态模拟和动态引入》。非线性分析理论方法应用63(5–7):e1619–e1633。doi:10.1016/j.na.2005.01.055·Zbl 1224.78044号
[64] Sadeghian H,Rezazadeh G(2006)应力梯度对微电子机械开关拉入现象的影响。《物理学报》第34期(1):1117–1122。doi:10.1088/1742-6596/34/184·doi:10.1088/1742-6596/34/184
[65] Sadeghian H,Yang C,Goosen J,Van Der Drift E,Bossche A,French P,Van Keulen F(2009)使用静电吸合不稳定性表征硅纳米悬臂梁的尺寸相关有效弹性模量。应用物理快报94(22):221903-1–221903-3
[66] Shavezipur M、Ponnambalam K、Hashemi S、Khajepour A(2008a)《MEMS可调谐电容器的概率设计优化》。微电子J 39(12):1528–1533。doi:10.1016/j.mejo.2008.03.008·doi:10.1016/j.mejo.2008.03.008
[67] Shavezipur M,Ponnambalam K,Khajepour A,Hashemi S(2008b)MEMS可调谐电容器的制造不确定性和成品率优化。Sens执行机构A Phys 147(2):613–622。doi:10.1016/j.sna.2008.03.025·doi:10.1016/j.sna.2008.03.025
[68] Sigmund O(2001a)使用拓扑优化设计多物理致动器-第一部分:单材料结构。计算方法应用机械工程190(49–50):6577–6604。doi:10.1016/S0045-7825(01)00251-1·Zbl 1116.74407号 ·doi:10.1016/S0045-7825(01)00251-1
[69] Sigmund O(2001b)使用拓扑优化设计多物理致动器-第二部分:双材料结构。计算方法应用机械工程190(49–50):6605–6627。doi:10.1016/S0045-7825(01)00252-3·Zbl 1116.74407号 ·doi:10.1016/S0045-7825(01)00252-3
[70] Tcherniak D(2002)使用SIMP方法对共振结构进行拓扑优化。国际数学方法工程54(11):1605–1622。doi:10.1002/nme.484·Zbl 1034.74042号 ·doi:10.1002/nme.484
[71] Thielicke E,Obermeier E(2000)微致动器及其技术。机电一体化10(4):431–455。doi:10.1016/S0957-4158(99)00063-X·doi:10.1016/S0957-4158(99)00063-X
[72] Ye W,Mukherjee S(1999)三维MEMS的最佳形状设计及其在静电梳状驱动器中的应用。国际数值方法工程杂志45(2):175–194。doi:10.1002/(SICI)1097-0207(19990520)45:2&lt;175::AID-NME585&gt;3.0.CO;2-7 ·Zbl 0953.74052号 ·doi:10.1002/(SICI)1097-0207(19990520)45:2<175::AID-NME585>3.0.CO;2-7
[73] Younis M、Abdel-Rahman E、Nayfeh A(2003)基于电致动微束的MEMS的降阶模型。微电子机械系统杂志12(5):672-680。doi:10.1109/JMEMS.2003.818069·doi:10.1109/JMEMS.2003.818069
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