ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК
ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ISSN: 1727-2769
English | Русский

Последний выпуск
№3(40) июль-сентябрь 2018

Влияние непараллельности электродов на характеристики МЭМС в режиме с контролируемым зарядом

Выпуск № 1 (34) январь - март 2017
Авторы:

Драгунов Валерий Павлович,
Синицкий Родион Евгеньевич,
Киселев Дмитрий Евгеньевич
DOI: http://dx.doi.org/10.17212/1727-2769-2017-1-58-71
Аннотация
Одним из наиболее существенных факторов, определяющих характеристики МЭМС, являются электромеханические взаимодействия. Поэтому большой интерес представляет поиск аналитических выражений, позволяющих вычислять емкости и силы с достаточной для практических применений точностью.

В данной работе представлены результаты исследований влияния непараллельности электродов на электромеханические взаимодействия в МЭМС. Анализ проведен для двух наиболее распространенных типов МЭМС – с двухэлектродной и встречно-штыревой (гребенчатой) конструкцией электродов в режиме с контролируемым зарядом. Получены выражения для расчета электростатических сил притяжения, потенциальной энергии, критического заряда и величины смещения подвижного электрода при различных наклонах электродов в режиме с контролируемым зарядом. Обнаружено, что в режиме работы с контролируемым зарядом в двухэлектродных МЭМС с непараллельными электродами возникает pull-in эффект. Рассмотрено влияние силы веса подвижного электрода на электромеханические взаимодействия в двухэлектродных МЭМС. Показано, что в режиме с контролируемым зарядом в МЭМС с гребенчатой конструкцией электродов при увеличении наклона электродов величина критического заряда  сначала увеличивается, а затем уменьшается. Установлено, что максимальное значение критического заряда в этом случае достигается при 1,354, а значение  в максимуме равно 1,17.
Ключевые слова: МЭМС, преобразование энергии, эффект схлопывания, режим работы с контролируемым зарядом, микромеханический конденсатор, электростатическая сила, диапазон контролируемого смещения электрода, критические значения

Список литературы
  1. Oudenhoven J.F.M., Vullers R.J.M., Schaijk R. A review of the present situation and future developments of micro-batteries for wireless autonomous sensor systems // International Journal of Energy Research. – 2012. – Vol. 36, N 12. – P. 1139–1150. – doi: 10.1002/er.2949.
  2. Self-powered autonomous wireless sensor node using vibration energy harvesting / R. Torah, P. Glynne-Jones, M. Tudor, T. O’Donnell, S. Roy, S. Beeby // Measurement Science and Technology. – 2008. – Vol. 19, N 12. – P. 125202. – doi: 10.1088/0957-0233/19/12/125202.
  3. Elvin N.G., Lajnef N., Elvin A.A. Feasibility of structural monitoring with vibration powe­red sensors // Smart Materials and Structures. – 2006. – Vol. 15, N 4. – P. 977–986. – doi: 10.1088/0964-1726/15/4/011.
  4. A MEMS self-powered sensor and RF transmission platform for WSN nodes / C. He, M.E. Kiziroglou, D.C. Yates, E.M. Yeatman // IEEE Sensors Journal. – 2011. – Vol. 11, N 12. – P. 3437–3445. – doi: 10.1109/JSEN.2011.2160535.
  5. Westby E.R., Halvorsen E. Design and modeling of a patterned-electret-based energy harvester for tire pressure monitoring systems // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. – 2012. – Vol. 17, N 5. – P. 995–1005. – doi: 10.1109/TMECH.2011.2151203.
  6. Fabrication and performance of silicon-embedded permanent-magnet microgenerators / F. Herrault, B.C. Yen, C.H. Ji, Z.S. Spakovszky, J.H. Lang, M.G. Allen // Journal of Micro­electromechanical Systems. – 2010. – Vol. 19, N 1. – P. 4–13. – doi: 10.1109/ JMEMS.2009.2036583.
  7. Jovanov E., Milenkovic A. Body area networks for ubiquitous healthcare applications: opportunities and challenges // Journal of Medical Systems. – 2011. – Vol. 35, N 5. – P. 1245–1254. – doi: 10.1007/s10916-011-9661-x.
  8. Wireless dosimeter: system-on-chip versus system-in-package for biomedical and space applications / A. Shamim, M. Arsalan, L. Roy, M. Shams, G. Tarr // IEEE Transactions on Circuits and Systems II. – 2008. – Vol. 55, N 7. – P. 643–647. – doi: 10.1109/ TCSII.2008.921573.
  9. MEMS electret generator with electrostatic levitation for vibration-driven energy harvesting applications / Y. Suzuki, D. Miki, M. Edamoto, M.A. Honzumi // Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2010. – Vol. 20, N 10. – P. 104002-1–104002-8. – doi: 10.1088/ 0960-1317/20/10/104002.
  10. Wideband MEMS electrostatic vibration energy harvesters based on gap-closing interdigited combs with a trapezoidal section / R. Guilllemet, P. Basset, D. Galayko, F. Cottone, F. Marty, T. Bourouina // Proceedings IEEE 26th International Conference on MEMS. – Taipei, 2013. – P. 817–820. – doi: 10.1109/MEMSYS.2013.6474368.
  11. Драгунов В.П., Доржиев В.Ю., Лойко Д.И. Влияние непараллельности электродов на характеристики микромеханических конденсаторов // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2016. – № 3 (32). – С. 54–64. – doi: 10.17212/1727-2769-2016-3-54-64.
  12. Surface micromachined MEMS capacitors with dual cavity for energy harvesting / J. Lin, J. Zhu, Y. Chang, Z. Feng, M. Almasri // Journal of Microelectromechanical Systems. – 2013. – Vol. 22, N 6. – P. 1458–1469. – doi: 10.1109/JMEMS.2013.2262588.
  13. Драгунов В.П., Драгунова Е.В. Особенности функционирования МЭМ систем // Нано- и микросистемная техника. – 2015. – № 6 (179). – С. 43–52.
  14. Драгунов В.П., Драгунова Л.С. Влияние массы подвижного электрода на функционирование МЭМ систем // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2015. – № 3 (28). – С. 50–60. – doi: 10.17212/1727-2769-2015-3-50-60.
  15. Non-linear MEMS electrostatic kinetic energy harvester with a tunable multistable potential for stochastic vibrations / F. Cottone, P. Basset, R. Guillemet, D. Galayko, F. Marty, T. Bourouina // Proceedings IEEE 17th International Conference on Solid State Sensors and Actuators. – Barcelona, Spain, 2013. – P. 1336–1339. – doi: 10.1109/Transducers. 2013.6627024.
Просмотров: 544