ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК
ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ISSN: 1727-2769
English | Русский

Последний выпуск
№3(40) июль-сентябрь 2018

Особенности функционирования несбалансированных МЭМС

Выпуск № 4 (37) октябрь-декабрь 2017
Авторы:

Драгунов Валерий Павлович,
Остертак Дмитрий Иванович,
Драгунова Евгения Валерьевна
DOI: http://dx.doi.org/10.17212/1727-2769-2017-4-58-69
Аннотация

Одним из наиболее существенных факторов, определяющих характеристики микроэлектромеханических систем (МЭМС), являются электромеханические взаимодействия.

В связи с этим большой интерес представляет поиск аналитических выражений, позволяющих оценивать емкости и силы с достаточной для практических применений точностью. В данной работе представлены результаты исследований влияния непараллельности электродов на электромеханические взаимодействия в несбалансированных МЭМС с гребенчатой конструкцией электродов в режиме с контролируемым напряжением. Получены выражения для расчета потенциальной энергии, электростатической силы, критического напряжения и величины смещения подвижного электрода при различных наклонах электродов, необходимые для проектирования МЭМС с учетом их реальных конструктивных особенностей. Показано, что в несбалансированных МЭМС при увеличении относительного наклона электродов электростатическая сила притяжения между заряженными электродами уменьшается, а величины критического напряжения и смещения возрастают. Установлено, что увеличение числа электродов в несбалансированном конденсаторе будет приводить к уменьшению диапазона контролируемого смещения подвижных электродов и величины критического напряжения.


Ключевые слова: МЭМС, преобразование энергии, эффект схлопывания, режим работы с контролируемым напряжением, микромеханический конденсатор, электростатическая сила, диапазон контролируемого смещения электрода, критические значения

Список литературы
  1. Khan S., Pathan A.-S.K., Alrajeh N.A. Wireless sensor networks: current status and future trends. – Boca Raton: CRC Press, 2016. – 546 p.
  2. Roundy S., Wright P.K., Rabaey J. A study of low level vibrations as a power source for wireless sensors nodes // Computer Communications. – 2003. – Vol. 26. – P. 1131–1144. – doi: https://doi.org/10.1016/S0140-3664(02)00248-7.
  3. Khan F.U., Qadir M.U. State-of-the-art in vibration-based electrostatic energy harvesting // Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2015. – Vol. 26, N 10. – Art. 103001. – doi: 10.1088/0960-1317/26/10/103001.
  4. MEMS electrostatic vibration energy harvester without switches and inductive elements / V. Dorzhiev, A. Karami, P. Basset, V. Dragunov, D. Galayko // Journal of Physics: Conference Series. – 2014. – Vol. 557, N 1. – P. 012126/1–012126/5. – doi: 10.1088/1742-6596/557/1/012126.
  5. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Архитектура и анализ схем МЭМ рекуператоров электрической энергии // Нано- и микросистемная техника. – 2011. – № 4 (129). – С. 49–54.
  6. Kwon D., Rincon-Mora G.A., Torres E.O. Harvesting ambient kinetic energy with switched-inductor converters // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. – 2011. – Vol. 58, N 7. – P. 1551–1560. – doi10.1109/TCSI.2011.2142731.
  7. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Электростатический микроэлектромеханический преобразователь с последовательной схемой включения компонентов // Нано- и микросистемная техника. – 2010. – № 6 (119). – С. 37–43.
  8. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Анализ электромеханических процессов в МЭМП с изменяющейся площадью перекрытия электродов // Научный вестник НГТУ. – 2009. – № 2 (35). – С. 115–127.
  9. Electrostatic pull-in instability in MEMS/NEMS: a review / W.-M. Zhang, H. Yan, Z.-K. Peng, G. Meng // Sensors and Actuators A: Physical. – 2014. – Vol. 214. – P. 187–218. – doi: https://doi.org/10.1016/j.sna.2014.04.025.
  10. Остертак Д.И. Анализ электростатических взаимодействий в плоскопараллельных МЭМС с учетом краевых эффектов в 3D-приближении // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2017. – № 1 (34). – С. 116–132. – doi: 10.17212/1727-2769-2017-1-116-132.
  11. Блум К.Е., Остертак Д.И. Расчет емкости гребенчатого переменного конденсатора для электростатического вибрационного генератора энергии с учетом краевых эффектов // Нано- и микросистемная техника. – 2016. – Т. 18, № 7. – С. 424–431.
  12. 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.
  13. Ardito R., Baldasarre L., Corigliano A. On the numerical evaluation of capacitance and electrostatic forces in MEMS // 10th International Conference on Thermal, Mechanical and Multiphysics Simulation and Experiments in Micro-Electronics and Micro-Systems, EuroSimE 2009, Delft, The Netherlands, 26–29 April 2009. – Delft, 2009. – P. 1–8. – doi: https://doi.org/10.1109/ESIME.2009.4938495.
  14. Драгунов В.П., Синицкий Р.Е., Киселев Д.Е. Влияние непараллельных электродов на характеристики МЭМС в режиме с контролируемым зарядом // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2017. – № 1 (34). – С. 58–71. – doi: 10.17212/1727-2769-2017-1-58-71.
  15. Драгунов В.П., Киселев Д.Е., Синицкий Р.Е. Особенности электромеханических взаимодействий в МЭМС с непараллельными электродами // Нано- и микросистемная техника. – 2017. – № 6. – С. 360–369. – doi: 10.17587/nmst.19.360–369.
Благодарности. Финансирование

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части государственного задания, шифр проекта 8.6847.2017/БЧ, тема проекта: «Разработка теоретических основ построения измерительного оборудования для телекоммуникационных систем, содержащего мощные СВЧ аттенюаторы, полосовые фильтры с заданными частотами режекции и микрополосковые печатные антенны».

Для цитирования:

Драгунов В.П., Остертак Д.И., Драгунова Е.В. Особенности функционирования несбалансированных МЭМС // Доклады АН ВШ РФ. – 2017. – № 4 (37). – C. 58–69. doi: 10.17212/1727-2769-2017-4-58-69

For citation:

Dragunov V.P., Ostertak D.I., Dragunova E.V. Osobennosti funktsionirovaniya nesbalansirovannykh MEMS [Peculiarities of unbalanced MEMS operation]. Doklady Akademii nauk vysshei shkoly Rossiiskoi Federatsii – Proceedings of the Russian higher school Academy of sciences, 2017, no. 4 (37), pp. 58–69. doi: 10.17212/1727-2769-2017-4-58-69

Просмотров: 367