ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК
ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Print ISSN: 1727-2769    Online ISSN: 2658-3747
English | Русский

Последний выпуск
№1(42) январь-март 2019

Особенности электромеханических взаимодействий в МЭМС с латеральным смещением непараллельных электродов в режиме с контролируемым напряжением

Выпуск № 4 (41) октябрь - декабрь 2018
Авторы:

Синицкий Родион Евгеньевич,
Драгунов Валерий Павлович,
Руденко Игорь Евгеньевич,
Колосков Дмитрий Борисович,
Драгунова Евгения Валерьевна
DOI: http://dx.doi.org/10.17212/1727-2769-2018-4-93-109
Аннотация

В работе представлены результаты исследования влияния непараллельности электродов на электромеханические взаимодействия в МЭМС с латеральным смещением электродов в режиме работы с контролируемым напряжением. Анализ проведен для двух случаев движения подвижного электрода: с увеличением и с уменьшением среднего межэлектродного зазора. Получены выражения для оценки емкостей, потенциальных энергий, электростатических сил, критического напряжения и критического смещения подвижного электрода при различных наклонах электродов.



Установлено, что в МЭМС с латеральным смещением непараллельных электродов, при котором увеличивается средний межэлектродный зазор, контролируемое смещение подвижного электрода возможно при любом приложенном напряжении и взаимном наклоне электродов во всем интервале перекрытия электродов.



Обнаружено, что в МЭМС с латеральным смещением электродов, при котором средний межэлектродный зазор уменьшается, возможно нестабильное состояние системы, приводящее к неконтролируемому движению подвижного электрода, направленному в сторону увеличения площади перекрытия электродов, – критический эффект (аналог эффекта “pull-in instability”). Таким образом, движение подвижного электрода с увеличением среднего межэлектродного зазора является неустойчивым, в отличие от движения с уменьшением межэлектродного зазора. После наступления критического состояния система перестает реагировать на изменения управляющего напряжения. Показано, что данный критический эффект возможен при параметрах системы  и . Установлено, что в данном случае при увеличении взаимного наклона электродов значение критического смещения подвижного электрода уменьшается, а зависимость критического напряжения  от  имеет практически линейную зависимость при .


Ключевые слова: МЭМС, латеральное смещение электродов, режим работы с контролируемым напряжением, микромеханический конденсатор, электрическая сила, контролируемое смещение электрода, критические значения, критический эффект

Список литературы
  1. Chiang C.-T. Design of a CMOS MEMS accelerometer used in IoT devices for seismic detection // IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems. – 2018. – Vol. 8, N 3. – P. 566–577. – doi: 10.1109/JETCAS.2018.2825604.
  2. Nazdrowicz J., Napieralski A. Electrical equivalent model of MEMS accelerometer in Matlab/SIMULINK environment // 2018 XIVth International Conference on Perspective Technologies and Methods in MEMS Design (MEMSTECH): proceedings. – Lviv, Ukraine, 2018. – P. 69–72. – doi: 10.1109/MEMSTECH.2018.8365704.
  3. New stability method of a multirate controller for a three-axis high-Q MEMS accelerometer with simultaneous electrostatic damping / L.E. Ciotirca, O. Bernal, J. Enjalbert, T. Cassagnes, H. Tap, H. Beaulaton, S. Sahin // IEEE Sensors Journa. – 2018. – Vol. 18, N 15. – P. 6106–6114. – doi: 10.1109/JSEN.2018.2844682.
  4. Zakriya M., Elfadel I.M., Rasras M. High dynamic range Z-axis hybrid spring MEMS capacitive accelerometer // 2018 Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS and MOEMS (DTIP). – Roma, Italy, 2018. – P. 1–4. – doi: 10.1109/DTIP.2018. 8394219.
  5. Different methods of capacitive comb drive MEMS accelerometer simulations / J. Nazdrowicz, M. Szenner, C. Maj, A. Napieralski // 2018 Baltic URSI Symposium (URSI). – Poznan?, Poland, 2018. – P. 254 – 256. – doi: 10.23919/URSI.2018.8406772.
  6. Design, fabrication, and calibration of a full silicon WLP MEMS sandwich accelerometer / Q. Hu, N. Li, C. Xing, W. Mei, P. Sun // 2018 19th International Conference on Electronic Packaging Technology. – Shanghai, China, 2018. – P. 919–933. – doi: 10.1109/ICEPT. 2018.8480835.
  7. Aydemir A., Akin T. Fabrication of a three-axis capacitive MEMS accelerometer on a single substrate // 2015 IEEE SENSORS. – Busan, South Korea, 2015. – P. 1–4. – doi: 10.1109/ICSENS.2015.7370307.
  8. Shah M.A., Iqbal F., Lee B.-L. Design and analysis of a single-structure three-axis MEMS gyroscope with improved coupling spring // 2016 IEEE 11th Annual International Confe­rence on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems. – Piscataway, NJ, 2016. – P. 188–191. – doi: 10.1109/JMEMS.2017.2754506.
  9. High scale-factor stability frequency-modulated MEMS gyroscope: 3-axis sensor and integrated electronics design / P. Minotti, S. Dellea, G. Mussi, A. Bonfanti, S. Facchinetti, A. Tocchio, V. Zega, C. Comi, A.L. Lacaita, G. Langfelder // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2018. – Vol. 65, N 6. – P. 5040–5050. – doi: 10.1109/TIE.2017.2772212.
  10. Design and fabrication of а novel MEMS vibrating ring gyroscope / Z. Kou, Ј. Liu, H. Сао, H. Feng, J. Ren, Q. Kang, Y. Shi // 2017 IEEE 3rd Information Technology and Mechatro­nics Engineering Conference. – Chongqing, China, 2017. – P. 131–134. – doi: 10.1109/ ITOEC.2017.8122396.
  11. Quadruple mass vibrating MEMS gyroscope with symmetric design / G. Wu, G.L. Chua, N. Singh, Y. Gu // IEEE Sensors Letters. – 2018. – Vol. 2, N 4. – doi: 10.1109/LSENS. 2018.2873000.
  12. Fang W., Huang Q. A study of the mechanical reliability of a MEMS microphone // Proceedings of the 20th IEEE International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits IPFA 2013. – Suzhou, China, 2013. – P. 716–719. – doi: 10.1109/IPFA. 2013.6599261.
  13. New architecture of MEMS microphone for enhanced performances / J. Czamy, A. Walther, B. Desloges, Ph. Robert, E. Redon, T. Verdot, K. Ege, C. Guianvarc'h, J.L. Guyader // 2013 International Semiconductor Conference Dresden–Grenoble. – Dresden, Germany, 2013. – P. 1–4. – doi: 10.1109/ISCDG.2013.6656312.
  14. Design and simulation of silicon and polymer based piezoelectric MEMS microphone / Y.C. Muralidhar, B.S. Somesh, K.N. Neethu, L.R. Yeshashwini, V.S. Naganja, S.L. Pinjare // 2013 International Conference on Emerging Trends in Communication, Control, Signal Processing and Computing Applications. – Bangalore, India, 2013. – P. 1–6. – doi: 10.1109/ C2SPCA.2013.6749409.
  15. Development of capacitive MEMS microphone based on slit-edge for high signal-to-noise ratio / I. Yoo, J. Sim, S. Yang, H. Kim // 2018 IEEE Micro Electro Mechanical Systems. – Belfast, Northern Ireland, 2018. – P. 1072–1075. – doi: 10.1109/MEMSYS.2018.8346745.
  16. Modeling of a bistable MEMS mechanism with torsion/cantilever beams / Y. Wu, J. Wang, X. Zhang, C. Zhang, G. Ding // 2010 IEEE 5th International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems. – Xiamen, China, 2010. – P. 153–156. – doi: 10.1109/ NEMS.2010.5592168.
  17. Simulation and analysis of actuation voltage of electrostatically actuated RF MEMS Cantilever and fixed – fixed switches with variable beam parameters / P. Sindhuja, V. Sharma, M.D. Upadhayay, A.V. Singh // 2016 International Conference on Micro-Electronics and Telecommunication Engineering (ICMETE). – IEEE, 2016. – P. 450–454. – doi: 10.1109/ICMETE.2016.84.
  18. Chu C., Liao X., Chen C. Improved dynamic range of microwave power sensor by MEMS cantilever beam // Journal of Microelectromechanical Systems. – 2017. – Vol. 26, N 6. – P. 1183–1185. – doi: 10.1109/JMEMS.2017.2754506.
  19. MEMS deformable mirror actuated by electrostatic piston array / A. Uno, Y. Hirai, T. Tsuchiya, O. Tabata // 2016 International Conference on Optical MEMS and Nanophoto­nics. – Singapore, 2016. – P. 1–2. – doi: 10.1109/OMN.2016.7565822.
  20. A high fill factor 1×20 MEMS mirror array based on ISC bimorph structure / Q. Chen, J. Ding, W. Wang, H. Xie // 2016 International Conference on Optical MEMS and Nanophotonics. – Singapore, 2016. – P. 1–2. – doi: 10.1109/OMN.2016.7565912.
  21. Portable Fourier transform infrared spectrometer based on an electrothermal MEMS mirror / D. Wang, X. Han, H. Liu, Q. Chen, W. Wang, H. Xie // 2017 19th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems. – Kaohsiung, Taiwan, 2017. – P. 265–268. – doi: 10.1109/TRANSDUCERS.2017.7994039.
  22. Grzebyk T. MEMS vacuum pumps // Journal of Microelectromechanical Systems. – 2017. – Vol. 26, N 4. – P. 705–717. – doi: 10.1109/JMEMS.2017.2676820.
  23. Graphene gas pumps / D. Davidovikj, D. Bouwmeester, H.S.Ј. van der Zant, P.G. Steeneken // 2018 IEEE Micro Electro Mechanical Systems. – Belfast, Northern Ireland, 2018. – P. 628–631. – doi: 10.1109/MEMSYS.2018.8346632.
  24. On-chip high-voltage charge pump with MEMS post-processed standard 5-V CMOS on SOI for electroosmotic flow micropumps / Y. Okamoto, H. Takehara, K. Fujimoto, T. Ichiki, T. Ohba, Y. Mita // IEEE Electron Device Letters. – 2018. – Vol. 39, N 6. – P. 851–854. – doi: 10.1109/LED.2018.2829925.
  25. Косцов Э.Г. Состояние и перспективы микро- и наноэлектромеханики // Автометрия. – 2009. – Т. 43, № 3. – С. 3–52.
  26. Остертак Д.И., Пельменев К.Г. Анализ электростатических взаимодействий в плоскопараллельных МЭМС со смещением электродов // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2018. – № 1 (38). – C. 7–21. – doi: 10.17212/1727-2769-2018-1-7-21.
  27. Драгунов В.П., Остертак Д.И., Драгунова Е.В. Особенности функционирования несбалансированных МЭМС // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2017. – № 4 (37). – C. 58–69. – doi: 10.17212/1727-2769-2017-4-58-69.
  28. Драгунов В.П., Киселев Д.Е., Синицкий Р.Е. Особенности электромеханических взаимодействий в МЭМС с непараллельными электродами // Нано- и микросистемная техника. – 2017. – Т. 19, № 6. – С. 360–369. – doi: 10.17587/nmst.19.360-369.
  29. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Расчет латеральной составляющей электростатической силы в // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. – 2009. – № 1 (34). – С. 229–233.
  30. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Электростатические взаимодействия в МЭМС со встречно-штыревой структурой // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2009. – № 1 (12). – С. 99–106.
  31. Драгунов В.П., Косцов Э.Г. МЭМ электростатический генератор энергии // Нано- и микросистемная техника. – 2007. – № 11. – С. 47–52.
Для цитирования:

Особенности электромеханических взаимодействий в МЭМС с латеральным смещением непараллельных электродов в режиме с контролируемым напряжением / Р.Е. Синицкий, В.П. Драгунов, И.Е. Руденко, Д.Б. Колосков, Е.В. Драгунова // Доклады АН ВШ РФ. – 2018. – № 4 (41). – C. 7–29. doi: 10.17212/1727-2769-2018-4-7-29

For citation:

Sinitskiy R.E., Dragunov V.P., Rudenko I.E., Koloskov D.B., Dragunova E.V. Osobennosti
elektromekhanicheskikh vzaimodeistvii v MEMS s lateral'nym smeshcheniem neparallel'nykh elektrodov v rezhime s kontroliruemym napryazheniem [Features of electromechanical interactions in MEMS with lateral displacement of non-parallel electrodes in the voltage controlled mode]. Doklady Akademii nauk vysshei shkoly Rossiiskoi Federatsii – Proceedings of the Russian higher school Academy of sciences, 2018, no. 4 (41), pp. 93–109. doi: 10.17212/1727-2769-2018-4-93-109.

Просмотров: 286